JP7762015B2 - Ultrasonic Flow Sensor - Google Patents
Ultrasonic Flow SensorInfo
- Publication number
- JP7762015B2 JP7762015B2 JP2021142011A JP2021142011A JP7762015B2 JP 7762015 B2 JP7762015 B2 JP 7762015B2 JP 2021142011 A JP2021142011 A JP 2021142011A JP 2021142011 A JP2021142011 A JP 2021142011A JP 7762015 B2 JP7762015 B2 JP 7762015B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- flow rate
- fluid
- sensor head
- microbubbles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
本発明は、配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量センサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic flow sensor that measures the flow rate of a fluid flowing through a pipe.
配管に取り付けられることにより、配管内を流れる流体の流量を測定する超音波流量センサが知られている。例えば、特許文献1には、第1および第2の超音波素子を含む超音波流量スイッチが記載されている。第1の超音波素子は配管内に超音波を送信し、第2の超音波素子は配管の内壁で反射された超音波を受信する。その後、第2の超音波素子は配管内に超音波を送信し、第1の超音波素子は配管の内壁で反射された超音波を受信する。超音波素子間の超音波の伝播時間差に基づいて、配管内を流れる流体の流量が測定される。 Ultrasonic flow sensors are known that are attached to pipes to measure the flow rate of fluid flowing through the pipes. For example, Patent Document 1 describes an ultrasonic flow switch that includes first and second ultrasonic elements. The first ultrasonic element transmits ultrasonic waves into the pipe, and the second ultrasonic element receives the ultrasonic waves reflected by the inner wall of the pipe. The second ultrasonic element then transmits ultrasonic waves into the pipe, and the first ultrasonic element receives the ultrasonic waves reflected by the inner wall of the pipe. The flow rate of the fluid flowing through the pipe is measured based on the difference in propagation time of the ultrasonic waves between the ultrasonic elements.
超音波流量センサは、例えば、工作機械の加工点を冷却するクーラント液の流量を測定するために用いられる。しかしながら、クーラント液は、微小な気泡(マイクロバブル)を多量に含む。この場合、各超音波素子により送信される超音波は、マイクロバブルによりクーラント液中で減衰する。そのため、特許文献1記載の超音波流量スイッチでは、クーラント液の流量を適切に測定することができないことがある。 Ultrasonic flow sensors are used, for example, to measure the flow rate of coolant liquid that cools the machining point of a machine tool. However, coolant liquid contains a large amount of tiny bubbles (microbubbles). In this case, the ultrasonic waves transmitted by each ultrasonic element are attenuated in the coolant liquid by the microbubbles. As a result, the ultrasonic flow switch described in Patent Document 1 may not be able to properly measure the flow rate of coolant liquid.
本発明の目的は、マイクロバブルを含む流体の流量を測定することが可能な超音波流量センサを提供することである。 The object of the present invention is to provide an ultrasonic flow sensor capable of measuring the flow rate of a fluid containing microbubbles.
(1)本発明に係る超音波流量センサは、配管内を流れる、マイクロバブルを含む流体の流量を測定する超音波流量センサであって、マイクロバブルの吸収帯域より高い周波数帯域である2MHz以上5MHz以下に含まれる所定の周波数を有する超音波であるパルス状の第1超音波信号を流体に送信する第1の超音波素子と、第1の超音波素子から流体に送信される所定の周波数を有する第2超音波信号を受信し、第1の超音波素子が受信する第3超音波信号を流体に送信する第2の超音波素子と、流量算出の第1の方式として、所定の周波数と、マイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数との差に基づいて流体の第1の流量を算出し、流量算出の第2の方式として、第1の超音波素子と第2の超音波素子との間の、第2超音波信号と第3超音波信号との伝播時間差に基づいて流体の第2の流量を算出し、第1の方式および第2の方式の双方で流量算出可能な密度のマイクロバブルに対応するとともに、当該双方で流量算出可能な密度の範囲を超えて一方で流量算出可能な密度のマイクロバブルにも対応して、第1の流量と第2の流量との少なくとも一方に基づく算出流量を出力する算出部とを備える。 (1) An ultrasonic flow sensor according to the present invention is an ultrasonic flow sensor for measuring the flow rate of a fluid containing microbubbles flowing through a pipe, the ultrasonic flow sensor comprising: a first ultrasonic element that transmits to the fluid a pulsed first ultrasonic signal, which is an ultrasonic wave having a predetermined frequency included in the frequency band of 2 MHz to 5 MHz, which is higher than the absorption band of the microbubbles; a second ultrasonic element that receives a second ultrasonic signal having the predetermined frequency transmitted from the first ultrasonic element to the fluid and transmits to the fluid a third ultrasonic signal received by the first ultrasonic element; and a calculation unit that calculates, as a first method of flow rate calculation, a first flow rate of the fluid based on the difference between the predetermined frequency and the frequency of the ultrasonic signal reflected by the microbubbles , and calculates, as a second method of flow rate calculation, a second flow rate of the fluid based on the difference in propagation time between the second ultrasonic signal and the third ultrasonic signal between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element, and that outputs a calculated flow rate based on at least one of the first flow rate and the second flow rate, while accommodating microbubbles having a density whose flow rate can be calculated by both the first method and the second method, and also accommodating microbubbles having a density whose flow rate can be calculated by one of the first method and the second method but that exceeds the density range whose flow rate can be calculated by both the first method and the second method .
この超音波流量センサにおいては、第1の超音波素子により送信されるパルス状の第1超音波信号はマイクロバブルの吸収帯域より高い周波数を有するので、マイクロバブルによる超音波信号の減衰が低減される。これにより、流体がマイクロバブルを含む場合でも、流体の流量を測定することができる。 In this ultrasonic flow sensor, the pulsed first ultrasonic signal transmitted by the first ultrasonic element has a frequency higher than the absorption band of microbubbles, reducing the attenuation of the ultrasonic signal due to microbubbles. This makes it possible to measure the flow rate of a fluid even if the fluid contains microbubbles.
また、超音波信号の所定の周波数は、2MHz以上5MHz以下である。この場合、マイクロバブルによる超音波信号の減衰をより確実に低減することができる。
さらに、超音波流量センサは、第1の超音波素子から流体に送信される第2超音波信号を受信し、第1の超音波素子が受信する第3超音波信号を流体に送信する第2の超音波素子をさらに備え、算出部は、第1の超音波素子と第2の超音波素子との間の、第2超音波信号と第3超音波信号との伝播時間差に基づいて流体の第2の流量を算出し、第1の流量と第2の流量との少なくとも一方に基づく算出流量を出力する。この構成によれば、流体に含まれるマイクロバブルの密度が低い場合でも、流体の流量を正確に測定することができる。
Furthermore, the predetermined frequency of the ultrasonic signal is 2 MHz or more and 5 MHz or less, in which case the attenuation of the ultrasonic signal due to microbubbles can be more reliably reduced.
The ultrasonic flow sensor further includes a second ultrasonic element that receives a second ultrasonic signal transmitted from the first ultrasonic element to the fluid and transmits a third ultrasonic signal received by the first ultrasonic element to the fluid, and the calculation unit calculates a second flow rate of the fluid based on a propagation time difference between the second ultrasonic signal and the third ultrasonic signal between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element, and outputs a calculated flow rate based on at least one of the first flow rate and the second flow rate. With this configuration, the flow rate of the fluid can be accurately measured even when the density of microbubbles contained in the fluid is low.
(2)算出部は、所定の周波数と、第1の超音波素子により超音波信号が送信されてから所定の時間が経過した第1時点におけるマイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数との差に基づいて、配管内の第1の深さにおける流体の速度を算出し、所定の周波数と、第1の超音波素子により超音波信号が送信されてから第1時点と異なる第2時点におけるマイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数との差に基づいて、配管内の第2の深さにおける流体の速度を算出し、第1の深さにおける流体の速度と、第2の深さにおける流体の速度とに基づいて特定される流体の速度分布の代表値に基づいて第1の流量を算出してもよい。この場合、流体の流量をより正確に測定することができる。 ( 2 ) The calculation unit may calculate the fluid velocity at a first depth in the pipe based on the difference between a predetermined frequency and the frequency of an ultrasonic signal reflected by a microbubble at a first time point a predetermined time after the ultrasonic signal is transmitted by the first ultrasonic element, calculate the fluid velocity at a second depth in the pipe based on the difference between the predetermined frequency and the frequency of an ultrasonic signal reflected by a microbubble at a second time point different from the first time point after the ultrasonic signal is transmitted by the first ultrasonic element, and calculate the first flow rate based on a representative value of the fluid velocity distribution determined based on the fluid velocity at the first depth and the fluid velocity at the second depth. In this case, the fluid flow rate can be measured more accurately.
(3)第1の超音波素子は、コンポジット素子により構成されてもよい。この場合、第1の超音波素子により送信される超音波の残響時間が短い。これにより、流体の流量をさらに正確に測定することができる。 ( 3 ) The first ultrasonic element may be a composite element. In this case, the reverberation time of the ultrasonic waves transmitted by the first ultrasonic element is short. This allows for more accurate measurement of the fluid flow rate.
(4)超音波流量センサは、流量算出の安定度に基づいて第1の流量と第2の流量との合成割合を決定する決定部をさらに備え、算出部は、決定部により決定された合成割合で第1の流量と第2の流量とを合成することにより流体の第3の流量を算出してもよい。この場合、流体に含まれるマイクロバブルの密度によらず、流体の流量を正確に測定することが容易になる。 ( 4 ) The ultrasonic flow sensor may further include a determination unit that determines a combination ratio of the first flow rate and the second flow rate based on the stability of the flow rate calculation, and the calculation unit may calculate a third flow rate of the fluid by combining the first flow rate and the second flow rate at the combination ratio determined by the determination unit. In this case, it becomes easy to accurately measure the flow rate of the fluid regardless of the density of microbubbles contained in the fluid.
(5)超音波流量センサは、流体に含まれるマイクロバブルの密度を検知する検知部をさらに備え、算出部は、検知部により検知されたマイクロバブルの密度に基づいて算出された第1の流量を補正してもよい。この構成によれば、流体に含まれるマイクロバブルの密度が比較的高い場合でも、流体の流量を正確に測定することができる。 ( 5 ) The ultrasonic flow sensor may further include a detection unit that detects the density of microbubbles contained in the fluid, and the calculation unit may correct the calculated first flow rate based on the density of microbubbles detected by the detection unit. With this configuration, the flow rate of the fluid can be accurately measured even when the density of microbubbles contained in the fluid is relatively high.
(6)超音波流量センサは、第1の流量の算出時にサイクルスキップが発生したか否かを判定する判定部をさらに備え、算出部は、判定部によりサイクルスキップが発生したと判定された場合、算出された第1の流量を補正してもよい。この構成によれば、第1の流量の算出時にサイクルスキップが発生した場合でも、流体の流量を正確に測定することができる。 ( 6 ) The ultrasonic flow sensor may further include a determination unit that determines whether a cycle skip occurred when calculating the first flow rate, and the calculation unit may correct the calculated first flow rate when the determination unit determines that a cycle skip occurred. With this configuration, the flow rate of the fluid can be accurately measured even if a cycle skip occurred when calculating the first flow rate.
(7)超音波流量センサは、第1の超音波素子と第1の超音波素子を収容するセンサヘッド筐体とを有するセンサヘッドをさらに備えてもよい。この場合、センサヘッド筐体を配管に取り付けることにより、第1の超音波素子を配管に容易に取り付けることができる。これにより、センサヘッドが取り付けられた配管を流れる流体の流量を容易に算出することができる。 ( 7 ) The ultrasonic flow sensor may further include a sensor head having a first ultrasonic element and a sensor head housing that houses the first ultrasonic element. In this case, the first ultrasonic element can be easily attached to the pipe by attaching the sensor head housing to the pipe. This makes it possible to easily calculate the flow rate of the fluid flowing through the pipe to which the sensor head is attached.
(8)超音波流量センサは、センサヘッドと通信する表示器をさらに備え、センサヘッドはセンサヘッドコネクタを有し、表示器は、センサヘッドコネクタと接続する表示器コネクタと、センサヘッドから送信される算出流量に基づく表示情報を表示する表示部と、表示部を制御する表示器制御部と、表示器制御部を収容する表示器筐体とを有し、センサヘッドコネクタと表示器コネクタとは、表示器筐体がセンサヘッド筐体に取り付けられることにより直接接続される第1の接続方法と、ケーブルを介して接続される第2の接続方法とで接続されてもよい。 ( 8 ) The ultrasonic flow sensor further includes a display that communicates with the sensor head, the sensor head having a sensor head connector, and the display having a display connector that connects to the sensor head connector, a display unit that displays display information based on the calculated flow rate transmitted from the sensor head, a display control unit that controls the display unit, and a display housing that accommodates the display control unit, and the sensor head connector and the display connector may be connected by a first connection method in which the display housing is directly connected by being attached to the sensor head housing, or a second connection method in which they are connected via a cable.
この場合、使用者は、第1の接続方法においては、センサヘッドに取り付けられた表示器を視認することにより、表示情報を容易に認識することができる。また、使用者は、第2の接続方法においては、任意の位置に取り付けられた表示器を視認することにより、表示情報を容易に認識することができる。 In this case, with the first connection method, the user can easily recognize the displayed information by visually checking the display attached to the sensor head. Furthermore, with the second connection method, the user can easily recognize the displayed information by visually checking the display attached to any position.
(9)センサヘッドはセンサヘッド表示灯を備え、表示器制御部は、算出部により算出される流量が所定のしきい値以上であることと、所定のしきい値より小さいこととのいずれか一方を示す切替用信号を生成し、センサヘッド表示灯は、算出された流量と所定のしきい値との比較結果を表示してもよい。この場合、超音波流量センサを流量スイッチとして動作させることができる。また、使用者は、算出された流量と所定のしきい値との比較結果を容易に認識することができる。 ( 9 ) The sensor head may include a sensor head indicator light, and the display control unit may generate a switching signal indicating whether the flow rate calculated by the calculation unit is equal to or greater than a predetermined threshold value or whether it is less than the predetermined threshold value. The sensor head indicator light may display the result of comparing the calculated flow rate with the predetermined threshold value. In this case, the ultrasonic flow sensor can be operated as a flow switch. Furthermore, the user can easily recognize the result of comparing the calculated flow rate with the predetermined threshold value.
本発明によれば、マイクロバブルを含む流体の流量を測定することができる。 The present invention makes it possible to measure the flow rate of a fluid containing microbubbles.
(1)超音波流量センサの概略構成
以下、本発明の一実施の形態に係る超音波流量センサについて図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る超音波流量センサの側面図である。図1に示すように、超音波流量センサ100は、センサヘッド10、クランプ部20および表示器30により構成される。センサヘッド10は、配管Pに取り付けられ、配管Pに流れる流体の流量を算出する。配管Pの最大の内径(直径)は、例えばJIS規格に規定される管呼び径「50A」に対応する内径である。例えば、管呼び径「50A」の鋼管の内径は、52.9mmである。以下の説明では、水平に延びる配管Pの上面にセンサヘッド10が取り付けられる例について説明する。
(1) Schematic Configuration of Ultrasonic Flow Sensor An ultrasonic flow sensor according to an embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view of an ultrasonic flow sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the ultrasonic flow sensor 100 is composed of a sensor head 10, a clamp unit 20, and a display 30. The sensor head 10 is attached to a pipe P and calculates the flow rate of a fluid flowing through the pipe P. The maximum inner diameter (diameter) of the pipe P is an inner diameter corresponding to a nominal pipe diameter of "50A" specified in the JIS standard, for example. For example, the inner diameter of a steel pipe with a nominal pipe diameter of "50A" is 52.9 mm. In the following description, an example will be described in which the sensor head 10 is attached to the top surface of a horizontally extending pipe P.
センサヘッド10はコネクタ12を含む。コネクタ12はセンサヘッド10の上面に設けられる。 The sensor head 10 includes a connector 12. The connector 12 is provided on the top surface of the sensor head 10.
クランプ部20は、上クランプ部材21および下クランプ部材22を含む。上クランプ部材21および下クランプ部材22は、配管Pを挟み込むように配置され、複数のクランプ固定ねじ23により互いに結合される。これにより、クランプ部20が配管Pの外周面に取り付けられる。図1に一点鎖線の矢印で示すように、2個のセンサ固定ねじ101がセンサヘッド10を通して上クランプ部材21の上面に螺合される。これにより、センサヘッド10は、下面が配管Pと接触する状態でクランプ部20により保持される。 The clamp unit 20 includes an upper clamp member 21 and a lower clamp member 22. The upper clamp member 21 and the lower clamp member 22 are positioned to sandwich the piping P and are connected to each other by a plurality of clamp fixing screws 23. This attaches the clamp unit 20 to the outer surface of the piping P. As indicated by the dashed-dotted arrows in Figure 1, two sensor fixing screws 101 are threaded into the upper surface of the upper clamp member 21 through the sensor head 10. This holds the sensor head 10 in place by the clamp unit 20 with its underside in contact with the piping P.
表示器30は、筐体部31、コネクタ32、制御部33、記憶素子34、操作部35、表示部36、表示灯37、接続ポート38,39および電源回路40を含む。筐体部31は、略直方体形状を有し、図1に点線の矢印で示すようにセンサヘッド10の上面に取り付け可能である。制御部33、記憶素子34および電源回路40は、筐体部31の内部に設けられる。 The display 30 includes a housing 31, a connector 32, a control unit 33, a memory element 34, an operation unit 35, a display unit 36, an indicator light 37, connection ports 38 and 39, and a power supply circuit 40. The housing 31 has a roughly rectangular parallelepiped shape and can be attached to the top surface of the sensor head 10 as indicated by the dotted arrow in Figure 1. The control unit 33, the memory element 34, and the power supply circuit 40 are provided inside the housing 31.
コネクタ32は、筐体部31の下面に設けられる。コネクタ12とコネクタ32とが接続することで、表示器30とセンサヘッド10とが通信可能となる。本実施の形態において、コネクタ12とコネクタ32とは、直接接続する場合と、間接的に接続する場合との二通りで接続する。コネクタ12とコネクタ32とが直接接続する場合は、筐体部31がセンサヘッド10の上面に取り付けられることにより、コネクタ12とコネクタ32とが接続する。コネクタ12とコネクタ32とが図示しないケーブルを介して接続する場合は、筐体部31は、センサヘッド10に取り付けられていても、センサヘッド10から取り外されていてもよい。すなわち、コネクタ12とコネクタ32とが二通りで接続するため、表示器30がセンサヘッド10に対して着脱自在な状態で、表示器30のコネクタ32とセンサヘッド10のコネクタ12とが接続する。 The connector 32 is provided on the underside of the housing 31. Connecting the connector 12 and the connector 32 enables communication between the display 30 and the sensor head 10. In this embodiment, the connector 12 and the connector 32 are connected in two ways: directly and indirectly. When the connector 12 and the connector 32 are connected directly, the housing 31 is attached to the top surface of the sensor head 10, thereby connecting the connector 12 and the connector 32. When the connector 12 and the connector 32 are connected via a cable (not shown), the housing 31 may be attached to the sensor head 10 or may be detached from the sensor head 10. In other words, because the connector 12 and the connector 32 are connected in two ways, the connector 32 of the display 30 and the connector 12 of the sensor head 10 are connected while the display 30 is detachable from the sensor head 10.
制御部33は、例えばCPU(中央演算処理装置)および記憶部を含む。制御部33は、記憶素子34、表示部36および表示灯37の動作を制御する。また、制御部33は、センサヘッド10により算出された流量と、所定のしきい値とを比較し、比較結果に基づいて切替用信号を生成する。したがって、生成される切替用信号は、センサヘッド10により算出される流量値が、当該流量値が所定のしきい値以上の値である状態と、当該流量値が所定のしきい値より小さい値である状態との二つの状態のいずれの状態であるかを示す二値化された信号である。この切替用信号は、他の装置を制御可能な外部装置が、配管Pを流れる流体の流量に応じて、他の装置のオン状態とオフ状態とを切り替えるために用いられる。このように、他の装置が配管Pを流れる流体の流量に応じて制御されるとき、超音波流量センサ100は、配管P内にしきい値以上の流量の流体が流れているか否かに基づいて他の装置の動作状態を変化させる流量スイッチとして機能すると言える。 The control unit 33 includes, for example, a CPU (central processing unit) and a memory unit. The control unit 33 controls the operation of the memory element 34, the display unit 36, and the indicator light 37. The control unit 33 also compares the flow rate calculated by the sensor head 10 with a predetermined threshold and generates a switching signal based on the comparison result. Therefore, the generated switching signal is a binary signal indicating whether the flow rate value calculated by the sensor head 10 is in one of two states: a state where the flow rate value is equal to or greater than the predetermined threshold, or a state where the flow rate value is less than the predetermined threshold. This switching signal is used by an external device capable of controlling other devices to switch the other devices between an on state and an off state depending on the flow rate of the fluid flowing through the pipe P. In this way, when the other devices are controlled depending on the flow rate of the fluid flowing through the pipe P, the ultrasonic flow sensor 100 can be said to function as a flow switch that changes the operating state of the other devices depending on whether the fluid flowing through the pipe P is at a flow rate equal to or greater than the threshold.
なお、本実施の形態において、切替用信号は、センサヘッド10により算出される流量値と所定のしきい値との比較により生成されるが、配管Pを流れる流体の流量が一定量以上であることと一定量より少ないことが切替用信号に反映される制御であればよい。後述するように、本例においてセンサヘッド10により算出される流量値は、センサヘッド10により算出される流体の流速と、配管Pの断面積とに基づいて算出されるため、例えば、算出される流速と、流速に係るしきい値とが比較され、切替用信号が生成される構成であってもよい。 In this embodiment, the switching signal is generated by comparing the flow rate value calculated by the sensor head 10 with a predetermined threshold value, but any control may be used as long as the switching signal reflects whether the flow rate of the fluid flowing through the pipe P is above a certain amount or below a certain amount. As will be described later, in this example, the flow rate value calculated by the sensor head 10 is calculated based on the flow velocity of the fluid calculated by the sensor head 10 and the cross-sectional area of the pipe P. Therefore, for example, the calculated flow velocity may be compared with a threshold value related to the flow velocity to generate the switching signal.
記憶素子34は、例えばリングバッファを含む。記憶素子34は、所定の時間間隔で、時刻とセンサヘッド10により算出された流量とが対応付けられたログデータを順次記憶する。ログデータは、最大流量、最小流量、積算流量または切替用信号のレベル等を含んでもよい。記憶素子34の全記憶領域にログデータが記憶された場合、最先に記憶されたログデータが最新のログデータに上書きされる。そのため、記憶素子34に一度記憶されたログデータは、最新のログデータにより上書きされるまで一定期間保持される。 The memory element 34 includes, for example, a ring buffer. The memory element 34 sequentially stores log data at predetermined time intervals, in which time is associated with the flow rate calculated by the sensor head 10. The log data may include maximum flow rate, minimum flow rate, integrated flow rate, or the level of the switching signal. When log data is stored in the entire memory area of the memory element 34, the oldest stored log data is overwritten with the latest log data. Therefore, log data stored in the memory element 34 is retained for a certain period of time until it is overwritten by the latest log data.
操作部35は、使用者による入力操作を受け付け可能に筐体部31の上面に設けられる。使用者は、操作部35を操作することにより種々のパラメータを入力することができる。操作部35から入力されるパラメータは、流量を算出するための初期設定に係るパラメータと、使用頻度が高いパラメータと、使用頻度が低いパラメータとを含む。初期設定に係るパラメータは、配管Pの材質または規格上の配管Pの外径を含む。使用者の利便性のために、初期設定に係るパラメータとして入力される配管Pの外径は、規格により定義される呼び径が入力されることが好ましい。使用頻度が高いパラメータは、応答時間、表示分解能、ヒステリシス、ゼロカット流量、流体が流れる方向または後述するマイクロバブルの密度検知の周期等を含む。これらの使用頻度が高いパラメータは切替用信号との関連性がある。このため、使用者が当該超音波流量センサ100からの実際の出力結果に基づいて出力を調整する際に、任意の値に設定される。したがって、使用頻度が高いことが想定される。また、使用頻度が低いパラメータは、流量算出モード、配管Pの外径、配管Pの厚み、配管P中の音速または流体の動粘度等を含む。これらのパラメータはセンサヘッド10により算出される流量値に影響があるパラメータである。このため、使用者が超音波流量センサ100の出力自体ではなく、出力が得られるまでの過程の値を調整する際に、任意の値に変更される。したがって、使用頻度が低いことが想定される。なお、使用頻度が低いパラメータに含まれる配管Pの寸法に係るパラメータは、呼び径に対応する値を使用者が微調整するときに値が変更されるパラメータである。上述されたパラメータの一部または全部は、選択式で入力されてもよい。操作部35から入力されたパラメータは、センサヘッド10に与えられる。また、使用者は、操作部35を操作することにより流量についての所望のしきい値を入力することができる。 The operation unit 35 is provided on the top surface of the housing 31 so that it can accept input operations by the user. The user can input various parameters by operating the operation unit 35. Parameters input from the operation unit 35 include parameters related to the initial settings for calculating the flow rate, frequently used parameters, and infrequently used parameters. Parameters related to the initial settings include the material of the pipe P or the outer diameter of the pipe P according to the standard. For user convenience, it is preferable that the outer diameter of the pipe P input as the parameter related to the initial settings be the nominal diameter defined by the standard. Frequently used parameters include response time, display resolution, hysteresis, zero cutoff flow rate, fluid flow direction, or the period for detecting microbubble density (described below). These frequently used parameters are related to the switching signal. For this reason, when the user adjusts the output based on the actual output results from the ultrasonic flow sensor 100, they are set to arbitrary values. Therefore, it is expected that these parameters will be used frequently. Infrequently used parameters include the flow rate calculation mode, the outer diameter of the pipe P, the thickness of the pipe P, the sound velocity in the pipe P, or the dynamic viscosity of the fluid. These parameters affect the flow rate value calculated by the sensor head 10. For this reason, they are changed to any value when the user adjusts the process leading up to the output of the ultrasonic flow sensor 100, rather than the output itself. Therefore, they are expected to be used infrequently. Note that the parameter related to the dimensions of the pipe P, which is included in the infrequently used parameters, is a parameter whose value is changed when the user fine-tunes the value corresponding to the nominal diameter. Some or all of the above parameters may be input in a selective manner. The parameters input from the operation unit 35 are provided to the sensor head 10. The user can also input a desired threshold value for the flow rate by operating the operation unit 35.
表示部36は、筐体部31の上面に設けられる。表示部36は、センサヘッド10により算出された流体の流量等を表示する。すなわち、流量を表示する表示部36を備えた表示器30がセンサヘッド10に対して着脱自在であるため、使用者は表示器30を好適な位置に配置することで、好適な位置で配管Pのセンサヘッド10が設けられた部分の流量を視認することができる。 The display unit 36 is provided on the top surface of the housing unit 31. The display unit 36 displays the fluid flow rate calculated by the sensor head 10. In other words, the display 30 equipped with the display unit 36 that displays the flow rate is detachable from the sensor head 10. Therefore, by placing the display 30 in a suitable position, the user can visually check the flow rate in the portion of the piping P where the sensor head 10 is installed.
表示灯37は、例えば異なる色で発光する複数の発光ダイオードを含み、筐体部31の上面に設けられる。表示灯37は、制御部33により生成された切替用信号のレベルを識別可能な態様で点灯または点滅する。すなわち、表示灯37は、配管Pを流れる流体の流量が一定量以上であることを示す表示と、配管Pを流れる流体の流量が一定量より少ないことを示す表示とを識別可能な態様で点灯または点滅する。表示部36と同様に、表示灯37は表示器30に設けられるため、使用者は、好適な位置で、配管Pのセンサヘッド10が設けられた部分の流量の状態を視認することができる。 The indicator light 37 includes, for example, multiple light-emitting diodes that emit light in different colors, and is provided on the top surface of the housing 31. The indicator light 37 lights up or flashes in a manner that allows the level of the switching signal generated by the control unit 33 to be distinguished. That is, the indicator light 37 lights up or flashes in a manner that allows the indication that the flow rate of the fluid flowing through the piping P is equal to or greater than a certain amount, and that the flow rate of the fluid flowing through the piping P is less than a certain amount. Like the display unit 36, the indicator light 37 is provided on the display 30, so the user can visually check the flow rate status of the portion of the piping P where the sensor head 10 is provided, from a convenient position.
接続ポート38は、例えばUSB(ユニバーサルシリアルバス)ポートを含み、筐体部31の側面に設けられる。接続ポート38が図示しないケーブルにより外部の情報処理装置に接続されることにより、記憶素子34に記憶されたログデータが情報処理装置に出力される。接続ポート39は、例えばM12ポートを含み、筐体部31の端面に設けられる。接続ポート39が図示しないケーブルによりパーソナルコンピュータまたはプログラマブルロジックコントローラ等の外部装置に接続されることにより、制御部33により生成された切替用信号が外部装置に出力される。 The connection port 38 includes, for example, a USB (Universal Serial Bus) port and is provided on the side of the housing 31. When the connection port 38 is connected to an external information processing device via a cable (not shown), the log data stored in the memory element 34 is output to the information processing device. The connection port 39 includes, for example, an M12 port and is provided on the end face of the housing 31. When the connection port 39 is connected to an external device such as a personal computer or programmable logic controller via a cable (not shown), the switching signal generated by the control unit 33 is output to the external device.
電源回路40は、外部の商用電源により供給される電圧を超音波流量センサ100に適した電圧に変換し、変換された電圧を制御部33、記憶素子34、表示部36および表示灯37に供給する。また、電源回路40は、変換された電圧をコネクタ32を通してセンサヘッド10の各部に供給する。 The power supply circuit 40 converts the voltage supplied by an external commercial power source into a voltage suitable for the ultrasonic flow sensor 100, and supplies the converted voltage to the control unit 33, memory element 34, display unit 36, and indicator light 37. The power supply circuit 40 also supplies the converted voltage to each part of the sensor head 10 through the connector 32.
図2は、図1のセンサヘッド10の構成を示す模式的横断面図である。図2に示すように、センサヘッド10は、筐体部11、コネクタ12、制御部13、2つのウェッジ材14、2つの超音波素子15、音響カプラント16、超音波遮蔽板17および表示灯18を含む。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the sensor head 10 in Figure 1. As shown in Figure 2, the sensor head 10 includes a housing 11, a connector 12, a control unit 13, two wedge members 14, two ultrasonic elements 15, an acoustic couplant 16, an ultrasonic shielding plate 17, and an indicator light 18.
筐体部11は、下部が開口した略直方体形状である。筐体部11の上面には、コネクタ12が露出する。筐体部11の下部の開口では、ウェッジ材14が露出する。筐体部11は、制御部13と超音波素子15とを収容する。 The housing 11 is roughly rectangular and open at the bottom. The connector 12 is exposed on the top surface of the housing 11. The wedge material 14 is exposed at the opening at the bottom of the housing 11. The housing 11 houses the control unit 13 and the ultrasonic element 15.
コネクタ12は、筐体部11の上面に設けられる。上記のように、コネクタ12は、図1の表示器30の筐体部31が筐体部11に取り付けられたときに、コネクタ32に接続可能な位置にある。 The connector 12 is provided on the top surface of the housing 11. As described above, the connector 12 is positioned so that it can be connected to the connector 32 when the housing 31 of the display 30 in Figure 1 is attached to the housing 11.
制御部13は、例えばCPUおよび記憶部を含み、筐体部11の内部に設けられる。制御部13は、2つの超音波素子15および表示灯18の動作を制御する。また、制御部13は、超音波素子15の動作による測定結果、表示器30により与えられたパラメータおよび予め定められたパラメータに基づいて、配管Pに流れる流体の流量を算出する。流量の算出方法の詳細については後述する。 The control unit 13 includes, for example, a CPU and a memory unit, and is provided inside the housing unit 11. The control unit 13 controls the operation of the two ultrasonic elements 15 and the indicator light 18. The control unit 13 also calculates the flow rate of the fluid flowing through the pipe P based on the measurement results obtained by the operation of the ultrasonic elements 15, parameters provided by the display 30, and predetermined parameters. The method for calculating the flow rate will be described in detail below.
各ウェッジ材14は、非金属でかつ高い剛性および高い音響透過性を有する材料により形成される。また、各ウェッジ材14は、高い耐環境性を有する材料により形成されることが好ましい。本例では、各ウェッジ材14は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂と、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂とにより形成されるが、ULTEM(登録商標)樹脂により形成されてもよい。各ウェッジ材14は、斜め上方を向く素子結合面14aと、下方を向く配管結合面14bとを有する。 Each wedge member 14 is formed from a non-metallic material that has high rigidity and high acoustic transparency. It is also preferable that each wedge member 14 be formed from a material that has high environmental resistance. In this example, each wedge member 14 is formed from PPS (polyphenylene sulfide) resin and PEEK (polyether ether ketone) resin, but it may also be formed from ULTEM (registered trademark) resin. Each wedge member 14 has an element coupling surface 14a facing diagonally upward and a piping coupling surface 14b facing downward.
以下の説明では、2つのウェッジ材14を区別する場合は、一方のウェッジ材14をウェッジ材14Aと呼び、他方のウェッジ材14をウェッジ材14Bと呼ぶ。ウェッジ材14A,14Bは、素子結合面14aが斜め上外方を向くように筐体部11の長手方向に配列された状態で、筐体部11の下部の開口に取り付けられる。これにより、筐体部11の内部に水および油等の液体が浸入不可能な空間が形成される。 In the following description, when distinguishing between the two wedge materials 14, one wedge material 14 will be referred to as wedge material 14A and the other wedge material 14 will be referred to as wedge material 14B. Wedge materials 14A and 14B are attached to the opening at the bottom of the housing unit 11, arranged in the longitudinal direction of the housing unit 11 with their element coupling surfaces 14a facing diagonally upward and outward. This creates a space inside the housing unit 11 that liquids such as water and oil cannot penetrate.
各超音波素子15は、超音波を送信する送信モードと、超音波を受信する受信モードとで選択的に動作可能に構成される。各超音波素子15は、コンポジット素子により構成されてもよい。この場合、送信される超音波の残響時間が短いため、同一の超音波素子15を送信モードで動作してから受信モードで動作するときのノイズが低減される。後述するパルスドップラ方式では、反射体により反射される超音波信号を、当該超音波信号の強度が高い位置で受信するために、超音波を送信する超音波素子15が反射体により反射される超音波信号を受信することが好ましい。したがって、パルスドップラ方式で、超音波信号の受信強度を向上するために、超音波素子15がコンポジット素子であることが好ましい。なお、伝播時間差方式においても、送信モードで動作してから受信モードで動作するときのノイズが低減されるため、一定の効果がある。 Each ultrasonic element 15 is configured to be able to selectively operate in a transmit mode in which ultrasonic waves are transmitted, and a receive mode in which ultrasonic waves are received. Each ultrasonic element 15 may be configured as a composite element. In this case, the reverberation time of the transmitted ultrasonic waves is short, thereby reducing noise when the same ultrasonic element 15 operates in a transmit mode and then a receive mode. In the pulse Doppler method described below, it is preferable that the ultrasonic element 15 that transmits ultrasonic waves receive the ultrasonic signal reflected by the reflector, so that the ultrasonic signal reflected by the reflector is received at a location where the strength of the ultrasonic signal is high. Therefore, in the pulse Doppler method, it is preferable that the ultrasonic element 15 be a composite element to improve the received strength of the ultrasonic signal. Note that the transit time differential method also has a certain effect, as it reduces noise when operating in a transmit mode and then a receive mode.
以下の説明では、2つの超音波素子15を区別する場合は、一方の超音波素子15を超音波素子15Aと呼び、他方の超音波素子15を超音波素子15Bと呼ぶ。超音波素子15A,15Bは、ウェッジ材14A,14Bの素子結合面14aにそれぞれ接合される。これにより、超音波素子15A,15Bは、配管Pに対して所定の角度を成す状態で、筐体部11に収容される。 In the following description, when distinguishing between the two ultrasonic elements 15, one ultrasonic element 15 will be referred to as ultrasonic element 15A and the other ultrasonic element 15 will be referred to as ultrasonic element 15B. Ultrasonic elements 15A and 15B are joined to the element joining surfaces 14a of wedge materials 14A and 14B, respectively. As a result, ultrasonic elements 15A and 15B are housed in the housing 11 at a predetermined angle relative to the piping P.
音響カプラント16は、固体形状を有し、高分子ゴムまたはゲル状物質等からなる軟質弾性体材料により形成される。音響カプラント16は、各ウェッジ材14の配管結合面14bに接触するように筐体部11の下部に設けられる。音響カプラント16の下面は、筐体部11の下面よりもわずかに突出する。音響カプラント16は、その下面が配管Pと接触されることにより、各ウェッジ材14と配管Pとの音響インピーダンスを整合させる。したがって、音響カプラント16は、各ウェッジ材14の音響インピーダンス値と配管Pの音響インピーダンス値との間の音響インピーダンス値を有することが好ましい。 The acoustic couplant 16 has a solid shape and is formed from a soft elastic material such as polymer rubber or a gel-like substance. The acoustic couplant 16 is provided at the bottom of the housing 11 so as to contact the pipe coupling surface 14b of each wedge 14. The bottom surface of the acoustic couplant 16 protrudes slightly from the bottom surface of the housing 11. The acoustic couplant 16 matches the acoustic impedance of each wedge 14 and the pipe P by contacting its bottom surface with the pipe P. Therefore, it is preferable that the acoustic couplant 16 have an acoustic impedance value between the acoustic impedance value of each wedge 14 and the acoustic impedance value of the pipe P.
超音波遮蔽板17は、例えば発泡ゴムにより形成され、平板形状を有する。超音波遮蔽板17は、立てられた状態で音響カプラント16を貫通するようにウェッジ材14A,14B間に配置される。この場合、配管Pを通過しない超音波の成分がウェッジ材14A,14B間で直接伝達されることが防止される。 The ultrasonic shielding plate 17 is made of, for example, foam rubber and has a flat plate shape. When upright, the ultrasonic shielding plate 17 is placed between the wedges 14A and 14B so that it penetrates the acoustic couplant 16. In this case, ultrasonic components that do not pass through the piping P are prevented from being transmitted directly between the wedges 14A and 14B.
表示灯18は、例えば複数の発光ダイオードを含み、表示器30の表示灯37と同様に切替用信号のレベルを識別可能な態様で点灯または点滅する。そのため、表示器30がセンサヘッド10に直接接続されている場合には、使用者は、表示器30の表示灯37を視認することにより、切替用信号のレベルを容易に識別することができる。一方で、表示器30とセンサヘッド10とをケーブルで接続することにより、表示器30をセンサヘッド10から分離することができる。この状態においては、使用者は、表示器30を任意の設置面に設置することができる。表示器30がセンサヘッド10から分離された状態でも、使用者は、センサヘッド10の表示灯18を視認することにより、切替用信号のレベルを容易に識別することができる。 The indicator light 18 includes, for example, multiple light-emitting diodes, and lights up or flashes in a manner that allows the level of the switching signal to be identified, similar to the indicator light 37 of the display 30. Therefore, when the display 30 is directly connected to the sensor head 10, the user can easily identify the level of the switching signal by visually checking the indicator light 37 of the display 30. On the other hand, the display 30 can be separated from the sensor head 10 by connecting the two with a cable. In this state, the user can install the display 30 on any installation surface. Even when the display 30 is separated from the sensor head 10, the user can easily identify the level of the switching signal by visually checking the indicator light 18 of the sensor head 10.
上記のように、センサヘッド10は、2個のセンサ固定ねじ101により図1のクランプ部20に固定される。これにより、音響カプラント16が配管Pに押圧された状態で、センサヘッド10が配管Pに取り付けられる。この状態で、センサヘッド10が動作する。以下、センサヘッド10の動作について説明する。 As described above, the sensor head 10 is fixed to the clamp unit 20 in Figure 1 with two sensor fixing screws 101. This allows the sensor head 10 to be attached to the pipe P with the acoustic couplant 16 pressed against the pipe P. In this state, the sensor head 10 operates. The operation of the sensor head 10 is described below.
(2)センサヘッドの動作
使用者は、図1の操作部35を操作することにより、センサヘッド10の流量算出モードとして、伝播時間差モード、パルスドップラモードおよびハイブリッドモードのいずれかを選択することができる。伝播時間差モードでは、センサヘッド10が伝播時間差方式で動作して流量を算出する。パルスドップラモードでは、センサヘッド10がパルスドップラ方式で動作して流量を算出する。ハイブリッドモードでは、センサヘッド10が伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で動作して流量を算出する。
(2) Operation of the Sensor Head By operating the operation unit 35 in Fig. 1, the user can select one of the transit time difference mode, pulse Doppler mode, and hybrid mode as the flow rate calculation mode of the sensor head 10. In the transit time difference mode, the sensor head 10 operates using the transit time difference method to calculate the flow rate. In the pulse Doppler mode, the sensor head 10 operates using the pulse Doppler method to calculate the flow rate. In the hybrid mode, the sensor head 10 operates using both the transit time difference method and the pulse Doppler method to calculate the flow rate.
図3は、伝播時間差方式でのセンサヘッド10の動作を説明するための図である。伝播時間差方式では、まず超音波素子15Aが超音波を送信し、かつ、超音波素子15Bが超音波を受信する。超音波素子15Aにより斜め下方に送信された超音波は、矢印A1で示すようにウェッジ材14Aに入射される。ウェッジ材14Aに入射された超音波は、音響カプラント16を透過し、矢印A2で示すように配管P内の流体に入射される。流体を通過した超音波は、配管Pの内壁で反射して矢印A3方向に流体内を伝播する。矢印A3方向に伝播する超音波は、音響カプラント16を透過し、矢印A4で示すようにウェッジ材14Bに入射される。ウェッジ材14Bに入射された超音波は、超音波素子15Bにより受信される。制御部13は、超音波素子15Aにより送信された超音波が超音波素子15Bにより受信されるまでの伝播時間ABを測定する。 Figure 3 is a diagram illustrating the operation of the sensor head 10 using the transit time differential method. In the transit time differential method, ultrasonic element 15A first transmits ultrasonic waves, and ultrasonic element 15B receives them. The ultrasonic waves transmitted diagonally downward by ultrasonic element 15A are incident on wedge material 14A as shown by arrow A1. The ultrasonic waves incident on wedge material 14A pass through acoustic couplant 16 and are incident on the fluid in pipe P as shown by arrow A2. The ultrasonic waves that pass through the fluid are reflected by the inner wall of pipe P and propagate through the fluid in the direction of arrow A3. The ultrasonic waves propagating in the direction of arrow A3 pass through acoustic couplant 16 and are incident on wedge material 14B as shown by arrow A4. The ultrasonic waves incident on wedge material 14B are received by ultrasonic element 15B. The control unit 13 measures the propagation time AB, which is the time it takes for the ultrasonic waves transmitted by ultrasonic element 15A to be received by ultrasonic element 15B.
超音波素子15Bが超音波素子15Aから送信された超音波を受信した後、超音波素子15Bが超音波を送信し、かつ、超音波素子15Aが超音波素子15Bから送信された超音波を受信する。超音波素子15Bにより斜め下方に送信された超音波は、矢印B1で示すようにウェッジ材14Bに入射される。ウェッジ材14Bに入射された超音波は、音響カプラント16を透過し、矢印B2で示すように配管P内の流体に入射される。流体を通過した超音波は、配管Pの内壁で反射して矢印B3方向に流体内を伝播する。矢印B3方向に伝播する超音波は、音響カプラント16を透過し、矢印B4で示すようにウェッジ材14Aに入射される。ウェッジ材14Aに入射された超音波は、超音波素子15Aにより受信される。制御部13は、超音波素子15Bにより送信された超音波が超音波素子15Aにより受信されるまでの伝播時間BAを測定する。 After ultrasonic element 15B receives the ultrasonic waves transmitted from ultrasonic element 15A, ultrasonic element 15B transmits ultrasonic waves, and ultrasonic element 15A receives the ultrasonic waves transmitted from ultrasonic element 15B. The ultrasonic waves transmitted diagonally downward by ultrasonic element 15B are incident on wedge material 14B as shown by arrow B1. The ultrasonic waves incident on wedge material 14B pass through acoustic couplant 16 and are incident on the fluid in pipe P as shown by arrow B2. The ultrasonic waves that pass through the fluid are reflected by the inner wall of pipe P and propagate within the fluid in the direction of arrow B3. The ultrasonic waves propagating in the direction of arrow B3 pass through acoustic couplant 16 and are incident on wedge material 14A as shown by arrow B4. The ultrasonic waves incident on wedge material 14A are received by ultrasonic element 15A. The control unit 13 measures the propagation time BA, which is the time it takes for the ultrasonic waves transmitted by ultrasonic element 15B to be received by ultrasonic element 15A.
伝播時間ABと伝播時間BAとの測定の後、制御部13は、伝播時間差Δtを測定する。伝播時間差Δtは、伝播時間ABと、伝播時間BAとの差である。制御部13は、伝播時間差Δtに基づいて、配管P内を流れる流体の流量Vを下記式(1)により算出する。 After measuring the propagation times AB and BA, the control unit 13 measures the propagation time difference Δt. The propagation time difference Δt is the difference between the propagation times AB and BA. Based on the propagation time difference Δt, the control unit 13 calculates the flow rate V of the fluid flowing through the pipe P using the following formula (1):
ここで、C’はウェッジ材14中の超音波の速度であり、θ’はウェッジ材14への超音波の入射角である。Cは流体中の超音波の速度であり、θは流体への超音波の入射角である。dは配管Pの内径であり、λは管摩擦係数(ブラジウス係数)である。速度C’、入射角θ’、入射角θおよびブラジウス係数は、既知であり、制御部13の記憶部に予め定められたパラメータとして記憶されている。 Here, C' is the ultrasonic velocity in the wedge material 14, and θ' is the angle of incidence of the ultrasonic wave on the wedge material 14. C is the ultrasonic velocity in the fluid, and θ is the angle of incidence of the ultrasonic wave on the fluid. d is the inner diameter of the pipe P, and λ is the pipe friction coefficient (Blasius coefficient). The velocity C', angle of incidence θ', angle of incidence θ, and Blasius coefficient are known and are stored as predetermined parameters in the memory unit of the control unit 13.
伝播時間差モードでの伝播時間差方式による流量の算出において、速度Cおよび配管Pの内径dは、使用者により入力される。なお、式(1)または後述する式(2)におけるd2π/4は配管Pの断面積であり、流量Vから断面積を除した値が配管Pに流れる流体の流速となる。 In calculating the flow rate by the transit time difference method in transit time difference mode, the user inputs the velocity C and the inner diameter d of the pipe P. Note that d 2 π/4 in equation (1) or equation (2) described below is the cross-sectional area of the pipe P, and the value obtained by dividing the flow rate V by the cross-sectional area is the flow velocity of the fluid flowing through the pipe P.
このように、伝播時間差方式においては、流体の流れ方向に沿って伝播する超音波信号を送信する超音波素子と、流体の流れ方向に逆らって伝播する超音波信号を送信する超音波素子との2つの超音波素子が必要で、これらの超音波素子のそれぞれが他方の超音波素子から送信される超音波信号を受信可能な位置に配置される。本例においては、超音波素子15Aと超音波素子15Bとの両方が配管Pの上方に配置されるため、配管Pの一方側からの作業で、超音波素子15を配置することができる。特に、本例においては、超音波素子15Aと超音波素子15Bの両方が筐体部11に収容されるため、センサヘッド10の取付作業が容易である。 As such, the transit time differential method requires two ultrasonic elements: one that transmits an ultrasonic signal that propagates along the fluid flow direction, and another that transmits an ultrasonic signal that propagates against the fluid flow direction. Each of these ultrasonic elements is positioned so that it can receive the ultrasonic signal transmitted from the other ultrasonic element. In this example, ultrasonic elements 15A and 15B are both positioned above the piping P, so ultrasonic elements 15 can be positioned by working from one side of the piping P. In particular, in this example, both ultrasonic elements 15A and 15B are housed in the housing 11, making installation of the sensor head 10 easy.
なお、本実施の形態においては、速度Cが使用者により入力されるが、配管P中の音速が入力されてもよい。配管P中の音速は、配管Pの材質から特定される値が実際の値から乖離しにくいため、使用者は、配管Pの材質と音速とを対応付ける表を参照して、容易に精度の高い値を入力することができる。また、配管P中の音速は、超音波素子15の一方から他方への伝播時間から流体中の伝播時間を算出するために使用されるが、超音波素子15の一方から他方への伝播経路に占める配管Pの割合は微小であるため、配管P中の超音波の伝播速度の誤差が算出される流量Vに与える影響は小さい。このため、使用者が入力する値に求められる精度は低く、使用者は簡便な方法で値を入力することができる。なお、配管P中の音速が入力される例では、流体中の超音波信号の伝播時間を経て、伝播時間差方式にて送信される超音波信号の流体中の速度が算出される。当該速度は速度Cに近似する値であるため、速度Cが入力される場合の流量Vに近似した流量Vが算出される。このように、入力される値を適宜変更することにより、値を入力する使用者の負担を軽減することができる。なお、配管P中の音速は、使用者が配管の材質と、規格により定義される呼び径とを選択し、これらの情報に基づいて制御部13が算出してもよい。 In this embodiment, the velocity C is input by the user, but the speed of sound in the pipe P may also be input. Because the value of the speed of sound in the pipe P, determined from the material of the pipe P, is unlikely to deviate from the actual value, the user can easily input a highly accurate value by referring to a table correlating the material of the pipe P with the speed of sound. The speed of sound in the pipe P is used to calculate the propagation time in the fluid from the propagation time from one side of the ultrasonic element 15 to the other. However, because the proportion of the pipe P in the propagation path from one side of the ultrasonic element 15 to the other is minimal, the impact of errors in the propagation speed of ultrasound in the pipe P on the calculated flow rate V is small. Therefore, the required accuracy of the value input by the user is low, allowing the user to input the value using a simple method. In an example where the speed of sound in the pipe P is input, the velocity in the fluid of the ultrasonic signal transmitted using the transit time differential method is calculated via the propagation time of the ultrasonic signal in the fluid. Because this velocity is a value approximating the velocity C, a flow rate V approximating the flow rate V when the velocity C is input is calculated. In this way, by appropriately changing the input values, the burden on the user of inputting values can be reduced. Note that the user can select the pipe material and nominal diameter defined by the standard, and the control unit 13 can calculate the sound speed in the pipe P based on this information.
図4は、パルスドップラ方式でのセンサヘッド10の動作を説明するための図である。パルスドップラ方式では、超音波素子15Bの動作モードが送信モードと受信モードとで交互に切り替わる。送信モード時に、超音波素子15Bにより数パルスのパルス状の超音波信号が送信される。超音波素子15Bにより斜め下方に送信された超音波は、矢印C1で示すようにウェッジ材14Bに入射される。ウェッジ材14Bに入射された超音波は、音響カプラント16を透過し、矢印C2で示すように配管P内の流体に入射される。 Figure 4 is a diagram illustrating the operation of the sensor head 10 in the pulse Doppler system. In the pulse Doppler system, the operating mode of the ultrasonic element 15B alternates between transmission mode and reception mode. In transmission mode, the ultrasonic element 15B transmits several pulses of ultrasonic signals. The ultrasonic waves transmitted diagonally downward by the ultrasonic element 15B are incident on the wedge material 14B as shown by arrow C1. The ultrasonic waves incident on the wedge material 14B pass through the acoustic couplant 16 and are incident on the fluid in the pipe P as shown by arrow C2.
ここで、配管Pを流れる流体には、超音波を反射する反射体としてマイクロバブルが含まれる。マイクロバブルとは、例えば、直径10μm以上50μm以下の微小な気泡である。また、マイクロバブルは、工作機械の加工点を冷却する水溶性切削油等のクーラント液中に発生しやすい。クーラント液は、界面活性剤を含み、また、空気に触れたものが循環して再度用いられるため、当該循環系の一部を構成する配管Pを流れるクーラント液中に、マイクロバブルが多量に発生しやすい。 The fluid flowing through the pipe P contains microbubbles that act as reflectors of ultrasonic waves. Microbubbles are tiny air bubbles with diameters of, for example, 10 μm to 50 μm. Microbubbles are also likely to be generated in coolant fluids such as water-soluble cutting oils that cool the machining points of machine tools. Coolant fluids contain surfactants, and any coolant that comes into contact with air is circulated and reused. This means that microbubbles are likely to be generated in large quantities in the coolant fluid flowing through the pipe P, which forms part of the circulation system.
マイクロバブルにより反射された超音波の一部は、矢印C3で示すように音響カプラント16を透過し、矢印C4で示すようにウェッジ材14Bに入射される。ウェッジ材14Bに入射された超音波は、受信モード時に、超音波素子15Bにより受信される。このように、パルスドップラ方式においては、超音波素子15Bから送信された超音波がマイクロバブルに反射されて超音波素子15Bに到達するまでの時間は短く、また、マイクロバブルの位置により決定されるため、超音波素子15Bは残響時間が短いコンポジット素子であることが好ましい。 A portion of the ultrasound reflected by the microbubbles passes through the acoustic couplant 16 as shown by arrow C3 and is incident on the wedge material 14B as shown by arrow C4. The ultrasound incident on the wedge material 14B is received by the ultrasonic element 15B in receive mode. Thus, in the pulse Doppler method, the time it takes for the ultrasound transmitted from the ultrasonic element 15B to be reflected by the microbubbles and reach the ultrasonic element 15B is short, and is determined by the position of the microbubbles, so it is preferable that the ultrasonic element 15B be a composite element with a short reverberation time.
制御部13は、ドップラ周波数Δfを測定する。ドップラ周波数Δfは、超音波素子15Bにより送信された超音波の周波数と、超音波素子15Bにより受信された超音波の周波数との差であり、配管Pを流れるマイクロバブルの流速、すなわち流体の流速に比例する。制御部13は、測定されたドップラ周波数Δfに基づいて、配管P内を流れる流体の流量Vを下記式(2)により算出する。ここで、fは超音波素子15Bにより送信される超音波の周波数である。周波数fは、既知であり、制御部13の記憶部に予め定められたパラメータとして記憶されている。周波数fの詳細については後述する。 The control unit 13 measures the Doppler frequency Δf. The Doppler frequency Δf is the difference between the frequency of the ultrasound transmitted by the ultrasonic element 15B and the frequency of the ultrasound received by the ultrasonic element 15B, and is proportional to the flow velocity of the microbubbles flowing through the pipe P, i.e., the flow velocity of the fluid. Based on the measured Doppler frequency Δf, the control unit 13 calculates the flow rate V of the fluid flowing through the pipe P using the following equation (2). Here, f is the frequency of the ultrasound transmitted by the ultrasonic element 15B. The frequency f is known and is stored as a predetermined parameter in the memory unit of the control unit 13. Details of the frequency f will be described later.
このように、パルスドップラ方式においては、パルス状の超音波信号が流体に送信され、かつ、当該超音波信号が流体に含まれる反射体により反射されるときの超音波信号の周波数が計測できればよい。本例では、単一の超音波素子15Bがパルス状の超音波信号を送信し、かつ、マイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数を計測するため、パルスドップラ方式に必要な超音波素子の数が最小であり、センサヘッド10の小型化に一定の効果がある。特に本例では、超音波素子15Bがコンポジット素子により構成され、残響時間が短いため、マイクロバブルに反射された超音波信号の周波数を計測するときに、超音波信号の送信したときの残響による影響が生じにくい。 As such, the pulse Doppler method simply requires that a pulsed ultrasonic signal be transmitted into a fluid and that the frequency of the ultrasonic signal be measured when the ultrasonic signal is reflected by a reflector contained in the fluid. In this example, a single ultrasonic element 15B transmits a pulsed ultrasonic signal and measures the frequency of the ultrasonic signal reflected by microbubbles, minimizing the number of ultrasonic elements required for the pulse Doppler method and contributing to a certain degree to the miniaturization of the sensor head 10. In particular, in this example, the ultrasonic element 15B is composed of a composite element with a short reverberation time, so that when measuring the frequency of the ultrasonic signal reflected by microbubbles, the reverberation that occurs when the ultrasonic signal is transmitted is less likely to have an effect.
なお、パルスドップラ方式で流量を算出するセンサヘッド10は、超音波信号を送信する超音波素子と別に、反射体により反射される超音波の周波数を計測する超音波素子を備えてもよい。この場合、周波数を計測する超音波素子が超音波信号を送信する超音波素子と別の超音波素子であるため、残響による検出精度低下が生じにくい。 The sensor head 10, which calculates the flow rate using the pulse Doppler method, may also include an ultrasonic element that measures the frequency of ultrasonic waves reflected by a reflector, separate from the ultrasonic element that transmits the ultrasonic signal. In this case, because the ultrasonic element that measures the frequency is separate from the ultrasonic element that transmits the ultrasonic signal, detection accuracy is less likely to be reduced by reverberation.
図5は、パルスドップラ方式でのより具体的なセンサヘッド10の動作を説明するための図である。図5に示すように、流体は、配管Pの流路内を均一な速度で流れるのではなく、所定の速度分布で流れる。配管Pの流路の中央近傍を流れる流体の流速は、配管Pの内壁近傍を流れる流体の流速と比較して大きい。 Figure 5 is a diagram for explaining the operation of the sensor head 10 in more detail using the pulse Doppler method. As shown in Figure 5, the fluid does not flow at a uniform speed within the flow path of the pipe P, but rather flows with a predetermined velocity distribution. The flow velocity of the fluid flowing near the center of the flow path of the pipe P is greater than the flow velocity of the fluid flowing near the inner wall of the pipe P.
ここで、パルスドップラ方式では、超音波素子15Bにより送信された超音波がマイクロバブルに到達するまでの時間、およびマイクロバブルにより反射された超音波が超音波素子15Bに到達するまでの時間は、マイクロバブルが流れる深さごとに異なる。本例において、マイクロバブルが流れる深さとは、配管Pの径方向におけるマイクロバブルの位置である。そこで、制御部13は、超音波が送信されてからマイクロバブルにより反射された超音波が受信されるまでの時間ごとのドップラ周波数を測定する。 Here, in the pulse Doppler method, the time it takes for the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic element 15B to reach the microbubbles and the time it takes for the ultrasonic waves reflected by the microbubbles to reach the ultrasonic element 15B differ depending on the depth to which the microbubbles flow. In this example, the depth to which the microbubbles flow refers to the position of the microbubbles in the radial direction of the pipe P. Therefore, the control unit 13 measures the Doppler frequency for each time period from when the ultrasonic waves are transmitted until the ultrasonic waves reflected by the microbubbles are received.
本実施の形態では、コネクタ12は、超音波素子15Bより超音波素子15Aに近い位置に設けられる。換言すれば、コネクタ12と超音波素子15Aとの距離は、コネクタ12と超音波素子15Bとの距離より小さい。制御部13のうちコネクタ12が接続される部分の近傍には電源回路40が設けられる。パルスドップラ方式において超音波素子15が受信する超音波信号の周波数は電源回路40の影響を受けやすい。このため、コネクタ12との距離が比較的大きい超音波素子15Bがパルスドップラ方式で超音波信号を受信することが好ましい。 In this embodiment, connector 12 is located closer to ultrasonic element 15A than to ultrasonic element 15B. In other words, the distance between connector 12 and ultrasonic element 15A is shorter than the distance between connector 12 and ultrasonic element 15B. A power supply circuit 40 is provided near the portion of control unit 13 to which connector 12 is connected. In pulse Doppler systems, the frequency of the ultrasonic signal received by ultrasonic element 15 is easily affected by the power supply circuit 40. For this reason, it is preferable that ultrasonic element 15B, which is located a relatively large distance from connector 12, receive the ultrasonic signal using the pulse Doppler system.
図6は、時間ごとに検出された超音波の信号(ドップラ信号)を示す図である。図6の横軸は、周波数を示す。図6の縦軸は、ドップラ信号の強度を示す。図6の例では、複数のドップラ信号s1~s4が、実線、点線、一点鎖線および二点鎖線によりそれぞれ示される。ドップラ信号s1~s4は、図5の深さd1~d4を流れるマイクロバブルによりそれぞれ反射された超音波について検出されたドップラ信号であり、互いに異なる複数の時間t1~t4にそれぞれ検出される。 Figure 6 is a diagram showing ultrasonic signals (Doppler signals) detected over time. The horizontal axis of Figure 6 represents frequency. The vertical axis of Figure 6 represents Doppler signal intensity. In the example of Figure 6, multiple Doppler signals s1 to s4 are represented by solid lines, dotted lines, dashed lines, and dashed double-dashed lines, respectively. Doppler signals s1 to s4 are Doppler signals detected for ultrasonic waves reflected by microbubbles flowing at depths d1 to d4 in Figure 5, and are detected at multiple different times t1 to t4, respectively.
制御部13は、ドップラ信号s1~s4の重心位置を深さd1~d4にそれぞれ対応するドップラ周波数として測定する。また、制御部13は、測定されたドップラ周波数に基づいて、各深さd1~d4における流体(マイクロバブル)の流速をそれぞれ算出する。なお、上記のように、流体の流速は、式(2)の流量Vから断面積を除した値として算出される。 The control unit 13 measures the center of gravity positions of the Doppler signals s1 to s4 as Doppler frequencies corresponding to the depths d1 to d4, respectively. The control unit 13 also calculates the flow velocity of the fluid (microbubbles) at each of the depths d1 to d4 based on the measured Doppler frequencies. As mentioned above, the flow velocity of the fluid is calculated by dividing the cross-sectional area by the flow rate V in equation (2).
このように、パルスドップラ方式においては、流体(マイクロバブル)の位置を空間分解し、流体の速度分布を特定することができる。図5および図6の例では、深さd1~d4ごとの流体の流速が算出されるが、深さの点数は配管Pの径または制御部13の処理速度等に応じて適宜決定されてもよい。制御部13は、特定された流体の速度分布を平均化し、平均化された速度分布に配管Pの流路の断面積を乗じることにより流体の流量を算出する。 In this way, the pulse Doppler method can spatially resolve the position of the fluid (microbubbles) and identify the velocity distribution of the fluid. In the examples of Figures 5 and 6, the fluid flow velocity is calculated for each depth d1 to d4, but the number of depths may be determined appropriately depending on the diameter of the pipe P or the processing speed of the control unit 13, etc. The control unit 13 averages the identified fluid velocity distribution and calculates the fluid flow rate by multiplying the averaged velocity distribution by the cross-sectional area of the flow path of the pipe P.
ハイブリッドモードにおいては、センサヘッド10は、伝播時間差方式とパルスドップラ方式とを交互に実行する。伝播時間差方式での動作期間およびパルスドップラ方式での動作期間は、例えばそれぞれ150msであるが、実施の形態はこれに限定されない。伝播時間差方式での動作期間またはパルスドップラ方式での方式期間は、150msよりも短くてもよいし、150msよりも長くてもよい。また、伝播時間差方式での動作期間とパルスドップラ方式での動作期間とは同じでなくてもよい。 In hybrid mode, the sensor head 10 alternates between transit time differential and pulse Doppler methods. The operation period for transit time differential and pulse Doppler methods is, for example, 150 ms each, but this is not a limitation of the embodiment. The operation period for transit time differential or pulse Doppler methods may be shorter or longer than 150 ms. Furthermore, the operation period for transit time differential and pulse Doppler methods do not have to be the same.
また、本例では、超音波素子15Bが、伝播時間差方式において超音波信号を送受信し、かつ、パルスドップラ方式においてパルス状の超音波信号を送信し、反射体に反射された超音波の周波数を計測する。この構成によれば、伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で流量の算出が可能なセンサヘッド10において、超音波素子の数を最小にすることができるため、センサヘッド10の小型化に一定の効果がある。 In addition, in this example, ultrasonic element 15B transmits and receives ultrasonic signals using the transit time differential method, and transmits pulsed ultrasonic signals using the pulse Doppler method, measuring the frequency of the ultrasonic waves reflected by the reflector. This configuration allows the number of ultrasonic elements to be minimized in the sensor head 10, which is capable of calculating flow rate using both the transit time differential method and the pulse Doppler method, and has a certain effect on miniaturizing the sensor head 10.
伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で流量の算出が可能なセンサヘッド10は、伝播時間差方式での流量算出に用いられる超音波素子と、パルスドップラ方式での流量算出に用いられる超音波素子とが別々に設けられる構成であってもよい。例えば、本実施の形態における超音波素子15Aと超音波素子15Bとが伝播時間差方式での流量算出にのみ用いられ、パルスドップラ方式での流量算出に用いられる超音波素子が別途設けられる構成である。この構成において、伝播時間差方式での流量算出に用いられる超音波素子は、パルスドップラ方式での流量算出に用いられず、パルスドップラ方式での流量算出に用いられる超音波素子は、伝播時間差方式での流量算出に用いられない。したがって、この構成によるハイブリッドモードでは、伝播時間差方式での動作期間とパルスドップラ方式での動作期間が重複してもよく、動作期間が切り替わる間での流量の変化による影響を受けにくい。 Sensor head 10, which is capable of calculating flow rates using both transit time and pulse Doppler methods, may be configured so that ultrasonic elements used for transit time flow rate calculations and ultrasonic elements used for pulse Doppler flow rate calculations are provided separately. For example, in this embodiment, ultrasonic elements 15A and 15B are used only for transit time flow rate calculations, and ultrasonic elements used for pulse Doppler flow rate calculations are provided separately. In this configuration, the ultrasonic elements used for transit time flow rate calculations are not used for pulse Doppler flow rate calculations, and the ultrasonic elements used for pulse Doppler flow rate calculations are not used for transit time flow rate calculations. Therefore, in the hybrid mode with this configuration, the operating periods using transit time and pulse Doppler methods may overlap, and the sensor is less susceptible to changes in flow rate when the operating periods switch.
図7は、伝播時間差方式およびパルスドップラ方式で算出される流体の流量を示す図である。図7の横軸は、実際の流量に対する、流体に含まれるマイクロバブルの密度を示す。図7の縦軸は、算出される流体の流量の相対値を示す。また、伝播時間差方式で測定される流量を太い実線で示し、パルスドップラ方式で測定される流量を細い実線で示す。 Figure 7 shows the flow rate of a fluid calculated using the transit time method and the pulse Doppler method. The horizontal axis of Figure 7 shows the density of microbubbles contained in the fluid relative to the actual flow rate. The vertical axis of Figure 7 shows the relative value of the calculated fluid flow rate. The flow rate measured using the transit time method is shown by a thick solid line, and the flow rate measured using the pulse Doppler method is shown by a thin solid line.
図7に示すように、伝播時間差方式においては、マイクロバブルの密度が比較的低い場合には、100%の流量が算出される。しかしながら、マイクロバブルの密度が比較的高い場合には、流量を算出することができない。一方、パルスドップラ方式においては、マイクロバブルの密度が比較的高い場合に、100%に近い流量が算出される。特に、マイクロバブルの密度が値V1と、値V1よりも高い値V2との間にある場合に、比較的高い精度で流量が算出される。 As shown in Figure 7, the transit time method calculates a flow rate of 100% when the microbubble density is relatively low. However, when the microbubble density is relatively high, the flow rate cannot be calculated. On the other hand, the pulse Doppler method calculates a flow rate close to 100% when the microbubble density is relatively high. In particular, when the microbubble density is between value V1 and value V2, which is higher than value V1, the flow rate is calculated with relatively high accuracy.
そこで、ハイブリッドモードにおいては、制御部13は、伝播時間差方式により算出される流量と、パルスドップラ方式により算出される流量とを合成した流量を、算出した流量として扱う。したがって、ハイブリッドモードにおいては、上述した切替用信号は伝播時間差方式による流量値とパルスドップラ方式による流量値とが合成された流量値に基づいて生成され、また、表示灯37は伝播時間差方式による流量値とパルスドップラ方式による流量値とが合成された流量値に基づいて、点灯または点滅する。 In hybrid mode, the control unit 13 treats the calculated flow rate as a combination of the flow rate calculated using the transit time differential method and the flow rate calculated using the pulse Doppler method. Therefore, in hybrid mode, the switching signal described above is generated based on the combined flow rate value of the transit time differential method and the pulse Doppler method, and the indicator light 37 lights up or flashes based on the combined flow rate value of the transit time differential method and the pulse Doppler method.
ハイブリッドモードにおいて、制御部13は、流量算出の安定度に基づいて、伝播時間差方式で算出された流量と、パルスドップラ方式で算出された流量との合成割合を決定する。流量算出の安定度は、例えば検出されたドップラ信号の強度を含む。ハイブリッドモードにおいて、制御部13は、算出された流量を配管Pの外径または流体の動粘度等のパラメータに基づいて補正してもよい。 In hybrid mode, the control unit 13 determines the combined ratio of the flow rate calculated using the transit time method and the flow rate calculated using the pulse Doppler method based on the stability of the flow rate calculation. The stability of the flow rate calculation includes, for example, the strength of the detected Doppler signal. In hybrid mode, the control unit 13 may correct the calculated flow rate based on parameters such as the outer diameter of the pipe P or the dynamic viscosity of the fluid.
(3)超音波の周波数
超音波素子15Bにより送信される超音波の周波数は、伝播時間差方式とパルスドップラ方式とにかかわらず、4MHzである。特に、パルスドップラ方式においては、周波数が4MHzである超音波が、パルス状になるように制御されて送信される。伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方式で同一の周波数の超音波が送信されるため、当該周波数に適した超音波素子を採用することが容易であり、高い信号強度が得られやすい。
(3) Ultrasonic Frequency The frequency of the ultrasonic waves transmitted by the ultrasonic element 15B is 4 MHz regardless of whether the transit time method or the pulse Doppler method is used. In particular, in the pulse Doppler method, ultrasonic waves having a frequency of 4 MHz are controlled and transmitted in a pulsed form. Because ultrasonic waves of the same frequency are transmitted in both the transit time method and the pulse Doppler method, it is easy to adopt an ultrasonic element suitable for that frequency, and high signal strength is easily obtained.
パルスドップラ方式において、超音波素子15により送信される超音波の周波数が含まれる周波数帯域について説明する。 This section explains the frequency band that includes the frequency of the ultrasound transmitted by the ultrasonic element 15 in the pulse Doppler method.
超音波素子15から送信される超音波は、ウェッジ材14および音響カプラント16等のセンサヘッド10の構成要素ならびに配管Pを透過することにより、次第に減衰しつつ配管P内に到達する。そのため、センサヘッド10と配管Pとからなる系は、超音波を減衰させるフィルタとみなすことができる。以下、センサヘッド10と配管Pとからなるフィルタを構造的フィルタと呼ぶ。構造的フィルタにおける超音波の透過率は超音波の周波数により異なる。 The ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element 15 are gradually attenuated as they pass through the components of the sensor head 10, such as the wedge material 14 and acoustic couplant 16, as well as the piping P, before reaching the inside of the piping P. Therefore, the system consisting of the sensor head 10 and the piping P can be considered a filter that attenuates ultrasonic waves. Hereinafter, the filter consisting of the sensor head 10 and the piping P will be referred to as a structural filter. The transmittance of ultrasonic waves through a structural filter varies depending on the frequency of the ultrasonic waves.
図8は、構造的フィルタの周波数特性の典型例を示す図である。図8の横軸は、周波数を示す。図8の縦軸は、超音波の透過率を示し、周波数5MHzの超音波の透過率を1としたときの値である。図8に示すように、構造的フィルタは、比較的低い周波数帯域において高い透過率を有し、構造的フィルタにおける超音波の透過率は、周波数帯域が高くなるにつれて低下する。一方で、超音波の指向性は、周波数が高いほど向上する。したがって、指向性の低下が許容される範囲で超音波の周波数を低くすることが好ましいと考えられてきた。 Figure 8 shows a typical example of the frequency characteristics of a structural filter. The horizontal axis of Figure 8 represents frequency. The vertical axis of Figure 8 represents ultrasonic transmittance, which is a value when the transmittance of ultrasonic waves at a frequency of 5 MHz is set to 1. As shown in Figure 8, structural filters have high transmittance in relatively low frequency bands, and the ultrasonic transmittance of structural filters decreases as the frequency band increases. On the other hand, the directivity of ultrasonic waves improves as the frequency increases. Therefore, it has been considered preferable to lower the ultrasonic frequency within an acceptable range for reducing directivity.
ここで、本発明者らは、センサヘッド10をパルスドップラ方式で適切に動作させるべく、マイクロバブルを含む流体が配管Pに流れている場合における超音波の最適な周波数を選定するための種々の実験および考察を行った。その結果、超音波の周波数を低くすることが好ましいとは限らないという知見を得た。 Here, the inventors conducted various experiments and considerations to select the optimal ultrasonic frequency when a fluid containing microbubbles is flowing through the pipe P, in order to ensure that the sensor head 10 operates appropriately using the pulse Doppler method. As a result, they discovered that lowering the ultrasonic frequency is not always desirable.
具体的には、マイクロバブルは固有の共振周波数を有し、共振周波数近傍の周波数を有する超音波が照射された場合、マイクロバブルは、超音波を吸収して膨張と収縮とを繰り返すことにより、超音波を熱に変換することが確認された。また、マイクロバブルの共振周波数は、マイクロバブルのサイズ(直径)により異なることが確認された。 Specifically, it was confirmed that microbubbles have a specific resonant frequency, and when irradiated with ultrasound having a frequency close to the resonant frequency, the microbubbles absorb the ultrasound and convert it into heat by repeatedly expanding and contracting. It was also confirmed that the resonant frequency of microbubbles varies depending on the size (diameter) of the microbubbles.
そこで、本発明者らは、予備実験により流体に含まれるマイクロバブルのサイズを測定した。その結果、流体が例えば市販のクーラント液である場合、流体に含まれるマイクロバブルのサイズは数μm~数mmであり、特に10μm以上50μm以下のマイクロバブルが多量に流体に含まれることが判明した。なお、10μm~50μmのマイクロバブルの共振周波数の帯域は、50kHz~0.4MHzであった。このように、マイクロバブルが超音波を吸収する周波数帯域は比較的低いため、超音波素子15により送信される超音波の周波数は、マイクロバブルが超音波を吸収する周波数帯域よりも高い周波数帯域に含まれることが好ましい。 The inventors therefore conducted preliminary experiments to measure the size of microbubbles contained in a fluid. As a result, they found that when the fluid is, for example, a commercially available coolant, the microbubbles contained in the fluid range in size from several μm to several mm, and that the fluid contains a particularly large amount of microbubbles between 10 μm and 50 μm. The resonant frequency band for microbubbles between 10 μm and 50 μm is 50 kHz to 0.4 MHz. Because the frequency band in which microbubbles absorb ultrasound is relatively low, it is preferable that the frequency of the ultrasound transmitted by the ultrasonic element 15 be included in a frequency band higher than the frequency band in which microbubbles absorb ultrasound.
上記のマイクロバブルに係る知見に基づいて、本発明者らは、流体に含まれるマイクロバブルの共振周波数特性を評価した。図9は、流体に含まれるマイクロバブルの共振周波数特性を示す図である。図9の横軸は、周波数を示す。図9の縦軸は、深さ1mm当たりの超音波の透過率を示し、周波数5MHzの超音波の透過率を1としたときの値である。図9に示すように、流体に含まれるマイクロバブルは、比較的高い周波数帯域において高い透過率を有する。特に、1.5MHz以上5MHzの周波数帯域においては、透過率は超音波の周波数に比例するように増加する。5MHz以上の周波数帯域においても、透過率は超音波の周波数に比例するように増加するが、周波数に対する透過率の変化(傾き)が小さくなる。 Based on the above findings regarding microbubbles, the inventors evaluated the resonant frequency characteristics of microbubbles contained in a fluid. Figure 9 shows the resonant frequency characteristics of microbubbles contained in a fluid. The horizontal axis of Figure 9 represents frequency. The vertical axis of Figure 9 represents the transmittance of ultrasound per mm of depth, with the transmittance of ultrasound at a frequency of 5 MHz set to 1. As shown in Figure 9, microbubbles contained in a fluid have high transmittance in relatively high frequency bands. In particular, in the frequency band of 1.5 MHz to 5 MHz, the transmittance increases in proportion to the ultrasound frequency. In the frequency band of 5 MHz and above, the transmittance also increases in proportion to the ultrasound frequency, but the change (slope) in transmittance with respect to frequency is smaller.
一方、1.5MHz未満の周波数帯域(図9のA部)においては、透過率は、周波数に比例せずに、周波数が低下するにつれて大きく減少する。特に、600kHz~800kHzの周波数帯域においては、透過率は極めて低い。したがって、構造的フィルタにおける超音波の減衰を防止するために超音波の周波数を低くすると、パルスドップラ方式において、超音波が流体中で大きく減衰することとなる。このため、パルスドップラ方式でマイクロバブルを含む流体の流量を算出するときの超音波の周波数は2MHz以上であることが好ましい。また、マイクロバブルの透過率は周波数に比例するように増加するが、5MHzより高い周波数帯域では増加の傾きが小さい。これに対して構造的フィルタの周波数特性においては、周波数は高くなるほど透過率が低減する。このため、パルスドップラ方式でマイクロバブルを含む流体の流量を算出するときの周波数は、周波数が高くなることによるマイクロバブルの透過率の改善が得られやすい5MHz以下であることが好ましい。これらの結果から、パルスドップラ方式における超音波の周波数として、2MHz以上5MHz以下の周波数帯域に含まれる所定の周波数が用いられることがより好ましい。 On the other hand, in the frequency band below 1.5 MHz (part A in Figure 9), transmittance is not proportional to frequency but decreases significantly as frequency decreases. In particular, transmittance is extremely low in the frequency band from 600 kHz to 800 kHz. Therefore, if the ultrasonic frequency is lowered to prevent ultrasonic attenuation in the structural filter, ultrasonic waves will be significantly attenuated in the fluid in the pulse Doppler method. For this reason, it is preferable that the ultrasonic frequency used to calculate the flow rate of a fluid containing microbubbles using the pulse Doppler method be 2 MHz or higher. Furthermore, while the microbubble transmittance increases proportionally to the frequency, the slope of this increase is small in frequency bands higher than 5 MHz. In contrast, the frequency characteristics of a structural filter show that the transmittance decreases as the frequency increases. For this reason, it is preferable that the frequency used to calculate the flow rate of a fluid containing microbubbles using the pulse Doppler method be 5 MHz or lower, as this is likely to improve microbubble transmittance as the frequency increases. Based on these results, it is more preferable to use a predetermined frequency in the frequency band from 2 MHz to 5 MHz as the ultrasonic frequency in the pulse Doppler method.
なお、本例では、伝播時間差方式において送信される超音波の周波数は、パルスドップラ方式において送信される超音波の周波数と同一の4MHzであるが、伝播時間差方式では、パルスドップラ方式で送信される超音波の周波数と異なる周波数を有する超音波が送信されてもよい。伝播時間差方式で送信される超音波の周波数は、パルスドップラ方式で送信される超音波の周波数より低くてもよい。この場合、構造的フィルタにおける超音波の減衰が低減される。また、超音波の指向性が向上する。特に、伝播時間差方式では、一方の超音波素子15から他方の超音波素子15に超音波信号が到達することが必要である。上記のようにマイクロバブルの吸収帯域が考慮された周波数の超音波信号が用いられたとしても、マイクロバブルにより超音波信号が散乱するため、一方の超音波素子15から他方の超音波素子15に超音波信号は到達しにくい。このため、伝播時間差方式によりマイクロバブルが多く含まれる流体の流量を算出することは、超音波信号の周波数に関わらず困難である。したがって、伝播時間差方式で送信される超音波の周波数は、マイクロバブルの吸収帯域に含まれる程度に低く設定されてもよい。 In this example, the frequency of the ultrasound transmitted in the transit time differential method is 4 MHz, the same as the frequency of the ultrasound transmitted in the pulse Doppler method. However, the frequency of the ultrasound transmitted in the transit time differential method may be different from the frequency of the ultrasound transmitted in the pulse Doppler method. The frequency of the ultrasound transmitted in the transit time differential method may be lower than the frequency of the ultrasound transmitted in the pulse Doppler method. In this case, the attenuation of the ultrasound in the structural filter is reduced. The directionality of the ultrasound is also improved. In particular, the transit time differential method requires that the ultrasound signal travel from one ultrasonic element 15 to the other ultrasonic element 15. Even if an ultrasound signal with a frequency that takes into account the absorption band of microbubbles is used as described above, the ultrasound signal is scattered by the microbubbles, making it difficult for the ultrasound signal to travel from one ultrasonic element 15 to the other ultrasonic element 15. For this reason, it is difficult to calculate the flow rate of a fluid containing a large number of microbubbles using the transit time differential method, regardless of the frequency of the ultrasound signal. Therefore, the frequency of the ultrasound transmitted in the transit time differential method may be set low enough to be within the absorption band of the microbubbles.
この場合において、伝播時間差方式とパルスドップラ方式とで、異なる周波数を有する超音波が送信されるように、超音波素子15が異なる電圧で駆動されてもよい。あるいは、伝播時間差方式とパルスドップラ方式とで、異なる周波数を有する超音波が送信されるように、互いに異なる超音波素子15が設けられてもよい。 In this case, the ultrasonic elements 15 may be driven with different voltages so that ultrasonic waves having different frequencies are transmitted for the transit time differential method and the pulse Doppler method. Alternatively, different ultrasonic elements 15 may be provided so that ultrasonic waves having different frequencies are transmitted for the transit time differential method and the pulse Doppler method.
(4)流量の補正
上記のように、パルスドップラ方式においては、流体に含まれるマイクロバブルの密度が比較的高い場合でも、流量を高い精度で算出することが可能である。しかしながら、マイクロバブルの密度が図7の値V2よりも高い場合には、流量の算出の精度が低下する。その理由を以下に説明する。
(4) Flow Rate Correction As described above, the pulse Doppler method can calculate the flow rate with high accuracy even when the density of microbubbles contained in the fluid is relatively high. However, when the density of microbubbles is higher than value V2 in Figure 7, the accuracy of the flow rate calculation decreases. The reason for this is explained below.
図10は、マイクロバブルの密度が高い場合に検出されたドップラ信号を示す図である。図10の横軸は、周波数を示す。図10の縦軸は、検出されたドップラ信号の強度を示す。図10の例では、時間t4に検出されるドップラ信号について考える。この場合、本来、図5の深さd4を流れるマイクロバブルにより反射された超音波についてのドップラ信号s4が受信される(図6参照)。 Figure 10 shows the Doppler signal detected when the microbubble density is high. The horizontal axis of Figure 10 represents frequency. The vertical axis of Figure 10 represents the intensity of the detected Doppler signal. In the example of Figure 10, consider the Doppler signal detected at time t4. In this case, the Doppler signal s4 is received for ultrasound reflected by microbubbles flowing at depth d4 in Figure 5 (see Figure 6).
しかしながら、マイクロバブルの密度が高い場合には、超音波の減衰量が大きくなるので、深さd4を流れるマイクロバブルからの超音波についてのドップラ信号の強度が低下する。また、深さd4よりも浅い位置を流れるマイクロバブルからの超音波の反射量が増加する。ここで、深さd4よりも浅い位置を流れるマイクロバブルにより超音波が乱反射された場合、乱反射された超音波は、直接反射された場合よりも遅延して超音波素子15に到達する。このように乱反射されて超音波素子15に到達する超音波についての信号を偽信号と呼ぶ。 However, when the density of microbubbles is high, the amount of ultrasonic attenuation increases, and the intensity of the Doppler signal for ultrasonic waves from microbubbles flowing at depth d4 decreases. Furthermore, the amount of ultrasonic waves reflected from microbubbles flowing at depths shallower than d4 increases. Here, when ultrasonic waves are diffusely reflected by microbubbles flowing at depths shallower than d4, the diffusely reflected ultrasonic waves arrive at the ultrasonic element 15 with a delay compared to when they are directly reflected. A signal for ultrasonic waves that are diffusely reflected in this way and reach the ultrasonic element 15 is called a false signal.
乱反射された超音波が深さd4を流れるマイクロバブルにより反射された超音波と同じ時間t4に到達した場合、本来検出されるべきドップラ信号s4と、偽信号とが重なったドップラ信号が検出される。図10の例では、ドップラ信号s4と、偽信号sa~sdとが重なることにより、ドップラ信号s4よりも大きく太いドップラ信号s4’が検出される。視認を容易にするために、偽信号sa~sdは、それぞれ細い点線、細い一点鎖線、太い点線および太い一点鎖線により図示される。また、ドップラ信号s4,s4’は、それぞれ細い実線および太い実線により図示される。 When the diffusely reflected ultrasound arrives at time t4, the same time as the ultrasound reflected by microbubbles flowing at depth d4, a Doppler signal is detected that is a combination of the Doppler signal s4 that should have been detected and the false signal. In the example of Figure 10, the Doppler signal s4 overlaps with the false signals sa-sd, resulting in a Doppler signal s4' that is larger and thicker than the Doppler signal s4. For ease of visualization, the false signals sa-sd are shown as thin dotted lines, thin dashed lines, thick dotted lines, and thick dashed lines, respectively. Furthermore, the Doppler signals s4 and s4' are shown as thin solid lines and thick solid lines, respectively.
この場合、ドップラ信号s4ではなくドップラ信号s4’に基づいて深さd4に対応するドップラ周波数が測定されることとなる。このように測定されたドップラ周波数を用いると、算出される流体の平均流速が本来の値よりも低下する。したがって、算出される流体の流量も本来の値よりも低下する。その結果、流量の算出の精度が低下する。 In this case, the Doppler frequency corresponding to depth d4 is measured based on Doppler signal s4' rather than Doppler signal s4. If the Doppler frequency measured in this way is used, the calculated average flow velocity of the fluid will be lower than the actual value. Therefore, the calculated flow rate of the fluid will also be lower than the actual value. As a result, the accuracy of the flow rate calculation will decrease.
このような精度の低下を防止するために、制御部13は、所定の指標に基づいて、流体に含まれるマイクロバブルの密度を検知する。マイクロバブルの密度を検知するための指標は、例えば、配管P内の深さごとに検出されるドップラ信号の強度またはドップラ信号の幅を含む。また、制御部13の記憶部には、マイクロバブルの密度と、流量の補正量との関係を示すテーブルが予め記憶される。制御部13は、検知されたマイクロバブルの密度と、テーブルとに基づいて、算出された流量を補正する。 To prevent this kind of decrease in accuracy, the control unit 13 detects the density of microbubbles contained in the fluid based on a predetermined index. The index for detecting the microbubble density includes, for example, the strength or width of the Doppler signal detected for each depth within the pipe P. In addition, the memory unit of the control unit 13 pre-stores a table showing the relationship between the microbubble density and the amount of flow rate correction. The control unit 13 corrects the calculated flow rate based on the detected microbubble density and the table.
また、各深さd1~d4に対応するドップラ周波数の算出において、送信された超音波の周波数に対するシフト量が位相の1サイクル分よりも大きい場合、本来の位相ではなく、本来の位相の1サイクル後の位相に対するシフト量が算出されることとなる。この現象は、いわゆるサイクルスキップと呼ばれ、本実施の形態のように、超音波の位相の間隔が短い場合、すなわち超音波の周波数が高い場合に比較的多く発生する。サイクルスキップが発生すると、本来の値よりも小さいドップラ周波数が算出されるので、本来の値よりも小さい流量が算出されることとなる。 Furthermore, when calculating the Doppler frequency corresponding to each depth d1 to d4, if the amount of shift relative to the frequency of the transmitted ultrasound is greater than one phase cycle, the amount of shift relative to the phase one cycle after the original phase will be calculated, rather than the original phase. This phenomenon is known as cycle skipping, and occurs relatively frequently when the interval between ultrasound phases is short, as in this embodiment, i.e., when the ultrasound frequency is high. When a cycle skip occurs, a Doppler frequency that is lower than the original value will be calculated, and therefore a flow rate that is lower than the original value will be calculated.
そこで、制御部13は、サイクルスキップが発生したか否かを判定する。具体的には、制御部13は、ある深さについて算出されたシフト量が当該深さについて前回算出された値から所定値以上乖離しているときに、サイクルスキップが発生したと判定する。なお、ハイブリッド方式では、算出された流量が伝播時間差方式における値から所定値以上乖離しているときに、制御部13が、いずれかの深さに対応するドップラ周波数の算出でサイクルスキップが発生したと判定してもよい。 The control unit 13 then determines whether a cycle skip has occurred. Specifically, the control unit 13 determines that a cycle skip has occurred when the shift amount calculated for a certain depth deviates by a predetermined value or more from the value previously calculated for that depth. Note that in the hybrid method, the control unit 13 may also determine that a cycle skip has occurred in the calculation of the Doppler frequency corresponding to any depth when the calculated flow rate deviates by a predetermined value or more from the value obtained using the transit time method.
深さd1~d4のうちのいずれかの深さのシフト量の算出でサイクルスキップが発生したと判定された場合、制御部13は、速度分布を平均化する過程で、当該サイクルスキップが発生したと判断された深さにおける流速を、安定度が低い算出による算出値として扱う。具体的には、サイクルスキップが発生したと判断されなかった深さにおける流速のみに基づいて速度分布が平均化される。なお、速度分布の平均化は、当該サイクルスキップが発生したと判断された深さにおける流速に代えて、サイクルスキップが発生しないときのシフト量に基づく値に補正された流速に基づいてもよい。この補正は、超音波の周波数に対応するように定められた補正値が加算される補正でもよいし、超音波の周波数に対応するように定められた補正率が乗算される補正であってもよい。また、配管P中の平均流速は、サイクルスキップが発生したと判断された深さにおける流速に代えて、前回のドップラ周波数の算出において算出された値に基づく流速に基づいて算出されてもよい。また、安定度が低いと判断された算出に対する補正が反映されるのは、パルスドップラ方式で算出された流量に限定されない。例えば、ハイブリッドモードでは、制御部13は、パルスドップラ方式で算出された流量と伝播時間差方式で算出された流量とを合成するときのパルスドップラ方式で算出された流量の合成割合を、サイクルスキップによる影響を考慮して補正してもよい。 If a cycle skip is determined to have occurred in the calculation of the shift amount at any of depths d1 to d4, the control unit 13 treats the flow velocity at the depth where the cycle skip is determined to have occurred as a value calculated using a calculation with low stability when averaging the velocity distribution. Specifically, the velocity distribution is averaged based only on flow velocities at depths where a cycle skip is not determined to have occurred. Note that the velocity distribution may be averaged based on a flow velocity corrected to a value based on the shift amount when no cycle skip occurs, instead of the flow velocity at the depth where the cycle skip is determined to have occurred. This correction may be performed by adding a correction value determined to correspond to the ultrasonic frequency, or by multiplying by a correction factor determined to correspond to the ultrasonic frequency. Furthermore, the average flow velocity in the pipe P may be calculated based on the flow velocity calculated using the value calculated in the previous Doppler frequency calculation, instead of the flow velocity at the depth where the cycle skip is determined to have occurred. Furthermore, corrections to calculations determined to be with low stability are not limited to flow rates calculated using the pulse Doppler method. For example, in hybrid mode, the control unit 13 may correct the combination ratio of the flow rate calculated by the pulse Doppler method when combining the flow rate calculated by the pulse Doppler method and the flow rate calculated by the transit time method, taking into account the influence of cycle skips.
(5)流量算出処理
図11は、図2の制御部13の構成を示すブロック図である。図11に示すように、制御部13は、機能部として測定部1、算出部2、決定部3、検知部4および判定部5を含むとともに、記憶部6を含む。記憶部6には、流量算出プログラムが記憶される。また、記憶部6には、速度C’、入射角θ’、入射角θおよびブラジウス係数等のパラメータが予め記憶される。制御部13のCPUが記憶部6に記憶された流量算出プログラムを実行することにより、制御部13の機能部が実現される。制御部13の機能部の一部または全部が電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。
(5) Flow Rate Calculation Process Fig. 11 is a block diagram showing the configuration of the control unit 13 in Fig. 2. As shown in Fig. 11, the control unit 13 includes a measurement unit 1, a calculation unit 2, a determination unit 3, a detection unit 4, and a determination unit 5 as functional units, as well as a storage unit 6. A flow rate calculation program is stored in the storage unit 6. Parameters such as the velocity C', the angle of incidence θ', the angle of incidence θ, and the Blasius coefficient are also stored in advance in the storage unit 6. The CPU of the control unit 13 executes the flow rate calculation program stored in the storage unit 6, thereby realizing the functional units of the control unit 13. Some or all of the functional units of the control unit 13 may be realized by hardware such as electronic circuits.
測定部1は、超音波素子15A,15Bの動作を制御するとともに、超音波素子15A,15Bから測定結果を取得する。算出部2は、測定部1により取得された測定結果、記憶部6に記憶されたパラメータおよび表示器30に設定されたパラメータに基づいて、配管Pに流れる流量を算出する。また、算出部2は、パルスドップラ方式において、算出された流量に所定の補正を行う。 The measurement unit 1 controls the operation of the ultrasonic elements 15A and 15B and acquires measurement results from the ultrasonic elements 15A and 15B. The calculation unit 2 calculates the flow rate through the pipe P based on the measurement results acquired by the measurement unit 1, the parameters stored in the memory unit 6, and the parameters set in the display unit 30. The calculation unit 2 also performs a predetermined correction on the calculated flow rate in the pulse Doppler method.
決定部3は、ハイブリッドモードにおいて、伝播時間差方式で算出された流量と、パルスドップラ方式で算出された流量との合成割合を決定する。検知部4は、パルスドップラ方式において、流体に含まれるマイクロバブルの密度を設定された周期で検知する。判定部5は、パルスドップラ方式において、サイクルスキップが発生したか否かを判定する。 In hybrid mode, the determination unit 3 determines the combined ratio of the flow rate calculated using the transit time method and the flow rate calculated using the pulse Doppler method. The detection unit 4 detects the density of microbubbles contained in the fluid at a set cycle using the pulse Doppler method. The judgment unit 5 determines whether a cycle skip has occurred using the pulse Doppler method.
図12および図13は、図11の制御部13によりハイブリッドモードで実行される流量算出処理のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。以下、図11の制御部13と、図12および図13のフローチャートとを用いてハイブリッドモードにおける流量算出処理を説明する。 Figures 12 and 13 are flowcharts showing an example of an algorithm for the flow rate calculation process executed in hybrid mode by the control unit 13 in Figure 11. Below, the flow rate calculation process in hybrid mode will be explained using the control unit 13 in Figure 11 and the flowcharts in Figures 12 and 13.
まず、測定部1は、超音波素子15Aに超音波信号を送信し、超音波素子15Bに超音波信号を受信するように超音波素子15A,15Bを制御する(ステップS1)。次に、測定部1は、ステップS1における超音波素子15Aから超音波素子15Bへの超音波信号の伝播時間を測定する(ステップS2)。 First, the measurement unit 1 transmits an ultrasonic signal to the ultrasonic element 15A and controls the ultrasonic elements 15A and 15B so that the ultrasonic signal is received by the ultrasonic element 15B (step S1). Next, the measurement unit 1 measures the propagation time of the ultrasonic signal from the ultrasonic element 15A to the ultrasonic element 15B in step S1 (step S2).
その後、測定部1は、超音波素子15Bに超音波信号を送信し、超音波素子15Aに超音波信号を受信するように超音波素子15A,15Bを制御する(ステップS3)。次に、測定部1は、ステップS3における超音波素子15Bから超音波素子15Aへの超音波信号の伝播時間を測定する(ステップS4)。ステップS1,S2とステップS3,S4とは、いずれが先に実行されてもよい。 Then, the measurement unit 1 transmits an ultrasonic signal to the ultrasonic element 15B and controls the ultrasonic elements 15A and 15B so that the ultrasonic signal is received by the ultrasonic element 15A (step S3). Next, the measurement unit 1 measures the propagation time of the ultrasonic signal from the ultrasonic element 15B to the ultrasonic element 15A in step S3 (step S4). Either steps S1 and S2 or steps S3 and S4 may be executed first.
続いて、算出部2は、ステップS2,S4で測定された伝播時間に基づいて伝播時間差を算出する(ステップS5)。また、算出部2は、ステップS5で算出された伝播時間差および式(1)に基づいて、配管Pに流れる流体の流量を算出する(ステップS6)。ステップS1~S6は、伝播時間差方式における処理に対応する。 Next, calculation unit 2 calculates the propagation time difference based on the propagation times measured in steps S2 and S4 (step S5). Calculation unit 2 also calculates the flow rate of the fluid flowing through pipe P based on the propagation time difference calculated in step S5 and equation (1) (step S6). Steps S1 to S6 correspond to processing in the propagation time difference method.
ステップS6の後、測定部1は、超音波素子15Bにパルス状の超音波信号の送信および超音波信号の受信を順次行うように超音波素子15B制御する(ステップS7)。次に、測定部1は、ステップS7において受信された超音波信号のドップラ周波数を測定する(ステップS8)。また、算出部2は、ステップS8で測定されたドップラ周波数に基づいて、配管Pに流れる流体の各深さd1~d4における流速を算出する(ステップS9)。 After step S6, the measurement unit 1 controls the ultrasonic element 15B to sequentially transmit and receive pulsed ultrasonic signals (step S7). Next, the measurement unit 1 measures the Doppler frequency of the ultrasonic signal received in step S7 (step S8). Furthermore, the calculation unit 2 calculates the flow velocity of the fluid flowing through the pipe P at each depth d1 to d4 based on the Doppler frequency measured in step S8 (step S9).
判定部5は、各深さd1~d4に対応する周波数シフトでサイクルスキップが発生したか否かを判定する(ステップS10)。サイクルスキップが発生していないと判定した場合、ステップS12の処理が行われる。サイクルスキップが発生したと判定した場合、サイクルスキップが発生した深さを特定する(ステップS11)。サイクルスキップが発生した深さが特定された後、ステップS12の処理が行われる。ステップS12では、各深さd1~d4の流速に基づいて流速分布の平均化と、平均化された流速に基づく流量の算出を行う。すなわち、ステップS9と、ステップS12とで、式(2)に対応する流量値の算出が行われる。 The determination unit 5 determines whether a cycle skip has occurred in the frequency shift corresponding to each depth d1 to d4 (step S10). If it determines that a cycle skip has not occurred, the process proceeds to step S12. If it determines that a cycle skip has occurred, the depth at which the cycle skip occurred is identified (step S11). After the depth at which the cycle skip occurred has been identified, the process proceeds to step S12. In step S12, the flow velocity distribution is averaged based on the flow velocity at each depth d1 to d4, and the flow rate is calculated based on the averaged flow velocity. That is, in steps S9 and S12, the flow rate value corresponding to equation (2) is calculated.
ここで、検知部4は、流体に含まれるマイクロバブルの密度を検知する(ステップS13)。ステップS13は、ステップS7~S9と並列的に実行されてもよく、また、ステップS10より前に実行されてもよい。算出部2は、ステップS13で検知されたマイクロバブルの密度と、予め定められたテーブルとに基づいて、ステップS12で算出された流量を補正する(ステップS14)。ステップS7~S14は、パルスドップラ方式における処理に対応する。ハイブリッドモードにおいては、ステップS1~S6とステップS7~S14とはいずれが先に実行されてもよい。 Here, the detection unit 4 detects the density of microbubbles contained in the fluid (step S13). Step S13 may be performed in parallel with steps S7 to S9, or may be performed before step S10. The calculation unit 2 corrects the flow rate calculated in step S12 based on the microbubble density detected in step S13 and a predetermined table (step S14). Steps S7 to S14 correspond to processing in the pulse Doppler method. In hybrid mode, either steps S1 to S6 or steps S7 to S14 may be performed first.
なお、本実施の形態において、ステップS10において実行されるサイクルスキップが発生したか否かの判定と、ステップS13において実行される流体に含まれるマイクロバブルの密度の検知とは、いずれも、パルスドップラ方式で算出される流量の精度をより向上させるための処理である。したがって、ステップS10とステップS13との処理は、パルスドップラ方式で算出される流量に反映できる限りで、図13に示される処理順に限定されない。 In this embodiment, the determination of whether a cycle skip has occurred, which is performed in step S10, and the detection of the density of microbubbles contained in the fluid, which is performed in step S13, are both processes for further improving the accuracy of the flow rate calculated using the pulse Doppler method. Therefore, the processes in steps S10 and S13 are not limited to the processing order shown in Figure 13, as long as they can be reflected in the flow rate calculated using the pulse Doppler method.
ステップS14の後、決定部3は、ステップS7で検出されたドップラ信号の強度等の流量算出の安定度に基づいて、ステップS6で算出された流量と、ステップS9で算出された流量との合成割合を決定する(ステップS15)。続いて、算出部2は、ステップS6で算出された流量と、ステップS14で補正された流量とをステップS15で決定された合成割合で合成することにより配管Pに流れる流体の流量を算出する(ステップS16)。その後、算出部2は、ステップS16で算出された流量を表示器30の制御部33に出力し(ステップS17)、ステップS1に戻る。表示器30の制御部33は、図12および図13で図示されたアルゴリズムにより出力された流量を、予め定められた所定のしきい値と比較し、切替用信号を生成する。 After step S14, the determination unit 3 determines the combination ratio of the flow rate calculated in step S6 and the flow rate calculated in step S9 based on the stability of the flow rate calculation, such as the intensity of the Doppler signal detected in step S7 (step S15). Next, the calculation unit 2 calculates the flow rate of the fluid flowing through the pipe P by combining the flow rate calculated in step S6 and the flow rate corrected in step S14 at the combination ratio determined in step S15 (step S16). The calculation unit 2 then outputs the flow rate calculated in step S16 to the control unit 33 of the display unit 30 (step S17), and the process returns to step S1. The control unit 33 of the display unit 30 compares the flow rate output by the algorithm shown in Figures 12 and 13 with a predetermined threshold value and generates a switching signal.
なお、伝播時間差モードにおいては、ステップS1~S6が実行された後、ステップS7~S16が実行されずにステップS17が実行される。この場合、ステップS17で、算出部2は、ステップS6で算出された流量を表示器30に出力し、ステップS1に戻る。すなわち、表示器30の制御部33は、ステップS6で算出される流量と予め定められた所定のしきい値とを比較する。一方、パルスドップラモードにおいては、ステップS1~S6,S15,S16が実行されずに、ステップS7~S14が実行された後、ステップS17が実行される。この場合、ステップS17で、算出部2は、ステップS14で補正された流量を表示器30に出力し、ステップS7に戻る。すなわち、表示器30の制御部33は、ステップS14で補正された流量と予め定められた所定のしきい値とを比較する。 In the transit time difference mode, steps S1 to S6 are executed, and then step S17 is executed without executing steps S7 to S16. In this case, in step S17, the calculation unit 2 outputs the flow rate calculated in step S6 to the display 30, and the process returns to step S1. That is, the control unit 33 of the display 30 compares the flow rate calculated in step S6 with a predetermined threshold value. On the other hand, in the pulse Doppler mode, steps S1 to S6, S15, and S16 are not executed, and steps S7 to S14 are executed, and then step S17 is executed. In this case, in step S17, the calculation unit 2 outputs the flow rate corrected in step S14 to the display 30, and the process returns to step S7. That is, the control unit 33 of the display 30 compares the flow rate corrected in step S14 with a predetermined threshold value.
(6)効果
本実施の形態に係る超音波流量センサ100においては、パルスドップラ方式で超音波素子15Bにより送信されるパルス状の超音波信号は、流体に含まれるマイクロバブルの吸収帯域より高い所定の周波数(本例では2MHz以上5MHz以下)を有する。この場合、マイクロバブルによる超音波信号の減衰が低減される。これにより、配管Pを流れる流体がマイクロバブルを含む場合でも、流体の流量を測定することができる。
(6) Effects In the ultrasonic flow sensor 100 according to this embodiment, the pulsed ultrasonic signal transmitted by the ultrasonic element 15B using the pulse Doppler method has a predetermined frequency (2 MHz to 5 MHz in this example) higher than the absorption band of microbubbles contained in the fluid. In this case, attenuation of the ultrasonic signal due to microbubbles is reduced. As a result, the flow rate of the fluid can be measured even if the fluid flowing through the pipe P contains microbubbles.
また、パルスドップラ方式においては、異なる時間に検出されるドップラ信号に基づいて配管P内を流れる流体の速度分布が特定され、特定された流体の速度分布の平均値に基づいて流体の流量が算出される。この場合、流体の流量をより正確に測定することができる。本例では、超音波素子15Bは、コンポジット素子により構成されるので、送信される超音波の残響時間が短い。そのため、配管P内を流れる流体の速度分布をより正確に特定することができる。 In addition, in the pulse Doppler method, the velocity distribution of the fluid flowing within the pipe P is determined based on Doppler signals detected at different times, and the flow rate of the fluid is calculated based on the average value of the determined velocity distribution of the fluid. In this case, the flow rate of the fluid can be measured more accurately. In this example, the ultrasonic element 15B is composed of a composite element, so the reverberation time of the transmitted ultrasound is short. As a result, the velocity distribution of the fluid flowing within the pipe P can be determined more accurately.
伝播時間差方式では、超音波素子15A,15B間の超音波信号の伝播時間差に基づいて流体の流量が算出される。したがって、流体に含まれるマイクロバブルの密度が低い場合でも、流体の流量を正確に測定することができる。ハイブリッドモードでは、流量算出の安定度に基づいて、伝播時間差方式で算出された流量と、パルスドップラ方式で算出された流量との合成割合が決定される。また、決定された合成割合で、伝播時間差方式で算出された流量と、パルスドップラ方式で算出された流量とが合成されることにより流体の流量が算出される。この場合、流体に含まれるマイクロバブルの密度によらず、流体の流量を正確に測定することが容易になる。 In the transit time differential method, the fluid flow rate is calculated based on the difference in transit time of the ultrasonic signal between ultrasonic elements 15A and 15B. Therefore, the fluid flow rate can be accurately measured even when the density of microbubbles contained in the fluid is low. In hybrid mode, the combination ratio of the flow rate calculated using the transit time differential method and the flow rate calculated using the pulse Doppler method is determined based on the stability of the flow rate calculation. The fluid flow rate is calculated by combining the flow rate calculated using the transit time differential method and the flow rate calculated using the pulse Doppler method at the determined combination ratio. In this case, it becomes easy to accurately measure the fluid flow rate regardless of the density of microbubbles contained in the fluid.
また、パルスドップラ方式では、流体に含まれるマイクロバブルの密度が検知され、検知されたマイクロバブルの密度に基づいて算出された流量が補正される。この構成によれば、流体に含まれるマイクロバブルの密度が図7の値V2よりも高い場合でも、流体の流量を正確に測定することができる。 In addition, with the pulse Doppler method, the density of microbubbles contained in the fluid is detected, and the calculated flow rate is corrected based on the detected microbubble density. With this configuration, the flow rate of the fluid can be accurately measured even if the density of microbubbles contained in the fluid is higher than value V2 in Figure 7.
さらに、パルスドップラ方式では、流量の算出時にサイクルスキップが発生したか否かが判定され、サイクルスキップが発生したと判定された場合、算出された流量がサイクルスキップが発生しないときの値に補正される。この構成によれば、流量の算出時にサイクルスキップが発生した場合でも、流体の流量を正確に測定することができる。 Furthermore, with the pulse Doppler method, it is determined whether a cycle skip has occurred when calculating the flow rate, and if it is determined that a cycle skip has occurred, the calculated flow rate is corrected to the value that would be obtained if no cycle skip had occurred. With this configuration, the flow rate of the fluid can be accurately measured even if a cycle skip has occurred when calculating the flow rate.
また、センサヘッド10と表示器30とは、第1の接続方法と第2の接続方法とのいずれでも接続可能である。第1の接続方法では、表示器30の筐体部31がセンサヘッド10の筐体部11に取り付けられることにより、コネクタ32とコネクタ12とが直接接続される。第2の接続方法では、コネクタ32とコネクタ12とがケーブルを介して接続される。使用者は、第1の接続方法においては、センサヘッド10に取り付けられた表示器30を視認することにより、表示情報を容易に認識することができる。また、使用者は、第2の接続方法においては、任意の位置に取り付けられた表示器30を視認することにより、表示情報を容易に認識することができる。 The sensor head 10 and the display 30 can be connected using either the first or second connection method. With the first connection method, the housing 31 of the display 30 is attached to the housing 11 of the sensor head 10, thereby directly connecting the connector 32 and the connector 12. With the second connection method, the connector 32 and the connector 12 are connected via a cable. With the first connection method, the user can easily recognize the displayed information by visually checking the display 30 attached to the sensor head 10. With the second connection method, the user can easily recognize the displayed information by visually checking the display 30 attached in any position.
(7)他の実施の形態
(a)上記実施の形態において、センサヘッド10は伝播時間差方式とパルスドップラ方式との両方で流量を算出するが、実施の形態はこれに限定されない。センサヘッド10は、パルスドップラモードで動作可能に構成されればよい。したがって、センサヘッド10は、パルスドップラ方式で流量を算出可能であればよく、伝播時間差方式で流量算出しなくてもよい。この場合、センサヘッド10は、パルスドップラ方式での流量算出が可能に超音波素子を備えればよく、本例における超音波素子15Aを含まなくてもよい。
(7) Other Embodiments (a) In the above embodiment, the sensor head 10 calculates the flow rate using both the transit time method and the pulse Doppler method, but the embodiment is not limited to this. The sensor head 10 may be configured to operate in pulse Doppler mode. Therefore, the sensor head 10 may be configured to be able to calculate the flow rate using the pulse Doppler method, and may not calculate the flow rate using the transit time method. In this case, the sensor head 10 may be provided with an ultrasonic element that can calculate the flow rate using the pulse Doppler method, and may not include the ultrasonic element 15A in this example.
(b)上記実施の形態において、配管Pを流れる流体の速度分布の平均値に基づいてパルスドップラ方式における流体の流量が算出されるが、実施の形態はこれに限定されない。配管Pを流れる流体の速度分布により定まる中央値等の平均値以外の代表値に基づいてパルスドップラ方式における流体の流量が算出されてもよい。 (b) In the above embodiment, the flow rate of the fluid in the pulse Doppler method is calculated based on the average value of the velocity distribution of the fluid flowing through the pipe P, but the embodiment is not limited to this. The flow rate of the fluid in the pulse Doppler method may be calculated based on a representative value other than the average value, such as a median value, determined by the velocity distribution of the fluid flowing through the pipe P.
(c)上記実施の形態において、超音波素子15Bがマイクロバブルにより反射された超音波を受信するが、実施の形態はこれに限定されない。超音波素子15Bとは異なる超音波素子がマイクロバブルにより反射された超音波を受信してもよい。あるいは、マイクロバブルにより反射された超音波を受信するための超音波素子が超音波流量センサ100と別体として設けられてもよい。 (c) In the above embodiment, ultrasonic element 15B receives ultrasonic waves reflected by microbubbles, but the embodiment is not limited to this. An ultrasonic element other than ultrasonic element 15B may receive ultrasonic waves reflected by microbubbles. Alternatively, an ultrasonic element for receiving ultrasonic waves reflected by microbubbles may be provided separately from ultrasonic flow sensor 100.
(d)上記実施の形態において、超音波素子15Aは超音波流量センサ100の一部として設けられるが、実施の形態はこれに限定されない。配管P内を流れる流体を通して超音波素子15Bとの間で超音波を送受信可能である限り、超音波素子15Aは、超音波流量センサ100と別体として設けられてもよい。 (d) In the above embodiment, the ultrasonic element 15A is provided as part of the ultrasonic flow sensor 100, but the embodiment is not limited to this. The ultrasonic element 15A may be provided separately from the ultrasonic flow sensor 100, as long as ultrasonic waves can be transmitted and received between the ultrasonic element 15A and the ultrasonic element 15B through the fluid flowing in the pipe P.
(e)上記実施の形態において、超音波素子15Aと超音波素子15Bとが配管Pの上方に、配管Pが延びる方向に沿って並ぶように配置されるが、実施の形態はこれに限定されない。超音波素子15Aと超音波素子15Bとは、配管Pを挟んで対向するように配置されてもよい。すなわち、一方の超音波素子が配管Pの上方に配置され、他方の超音波素子が配管Pの下方に配置されてもよい。 (e) In the above embodiment, ultrasonic element 15A and ultrasonic element 15B are arranged above pipe P so as to be aligned in the direction in which pipe P extends, but the embodiment is not limited to this. Ultrasonic element 15A and ultrasonic element 15B may also be arranged so as to face each other across pipe P. In other words, one ultrasonic element may be arranged above pipe P and the other ultrasonic element may be arranged below pipe P.
(8)請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
(8) Correspondence between each component of the claims and each part of the embodiment Examples of correspondence between each component of the claims and each part of the embodiment are described below, but the present invention is not limited to the following examples. Various other elements having the configuration or function described in the claims can also be used as each component of the claims.
上記実施の形態においては、配管Pが配管の例であり、超音波流量センサ100が超音波流量センサの例であり、超音波素子15B,15Aがそれぞれ第1および第2の超音波素子の例である。算出部2が算出部の例であり、決定部3が決定部の例であり、検知部4が検知部の例であり、判定部5が判定部の例である。 In the above embodiment, the pipe P is an example of a pipe, the ultrasonic flow sensor 100 is an example of an ultrasonic flow sensor, and the ultrasonic elements 15B and 15A are examples of the first and second ultrasonic elements, respectively. The calculation unit 2 is an example of a calculation unit, the determination unit 3 is an example of a determination unit, the detection unit 4 is an example of a detection unit, and the judgment unit 5 is an example of a judgment unit.
筐体部11がセンサヘッド筐体の例であり、センサヘッド10がセンサヘッドの例であり、表示器30が表示器の例であり、コネクタ12がセンサヘッドコネクタの例であり、コネクタ32が表示器コネクタの例である。表示部36が表示部の例であり、制御部33が表示器制御部の例であり、筐体部31が表示器筐体の例であり、表示灯18がセンサヘッド表示灯の例である。 The housing 11 is an example of a sensor head housing, the sensor head 10 is an example of a sensor head, the display 30 is an example of a display, the connector 12 is an example of a sensor head connector, and the connector 32 is an example of a display connector. The display 36 is an example of a display, the control unit 33 is an example of a display control unit, the housing 31 is an example of a display housing, and the indicator light 18 is an example of a sensor head indicator light.
1…測定部,2…算出部,3…決定部,4…検知部,5…判定部,6…記憶部,10…センサヘッド,11,31…筐体部,12,32…コネクタ,13,33…制御部,14,14A,14B…ウェッジ材,14a…素子結合面,14b…配管結合面,15,15A,15B…超音波素子,16…音響カプラント,17…超音波遮蔽板,20…クランプ部,21…上クランプ部材,22…下クランプ部材,23…クランプ固定ねじ,30…表示器,34…記憶素子,35…操作部,36…表示部,37…表示灯,38,39…接続ポート,40…電源回路,100…超音波流量センサ,101…センサ固定ねじ,P…配管,s1~s4,s4’…ドップラ信号,sa~sd…偽信号 1...Measuring unit, 2...Calculating unit, 3...Determining unit, 4...Detecting unit, 5...Determining unit, 6...Memory unit, 10...Sensor head, 11, 31...Housing unit, 12, 32...Connector, 13, 33...Control unit, 14, 14A, 14B...Wedge material, 14a...Element coupling surface, 14b...Pipe coupling surface, 15, 15A, 15B...Ultrasonic element, 16...Acoustic couplant, 17...Ultrasonic shielding plate, 20...Clamping unit, 21...Upper clamping member, 22...Lower clamping member, 23...Clamp fixing screw, 30...Display, 34...Memory element, 35...Operating unit, 36...Display unit, 37...Indicator light, 38, 39...Connection port, 40...Power supply circuit, 100...Ultrasonic flow sensor, 101...Sensor fixing screw, P...Pipe, s1-s4, s4'...Doppler signals, sa-sd...False signals
Claims (9)
前記マイクロバブルの吸収帯域より高い周波数帯域である2MHz以上5MHz以下に含まれる所定の周波数を有する超音波であるパルス状の第1超音波信号を前記流体に送信する第1の超音波素子と、
前記第1の超音波素子から前記流体に送信される前記所定の周波数を有する第2超音波信号を受信し、前記第1の超音波素子が受信する第3超音波信号を前記流体に送信する第2の超音波素子と、
流量算出の第1の方式として、前記所定の周波数と、前記マイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数との差に基づいて前記流体の第1の流量を算出し、流量算出の第2の方式として、前記第1の超音波素子と前記第2の超音波素子との間の、前記第2超音波信号と前記第3超音波信号との伝播時間差に基づいて前記流体の第2の流量を算出し、前記第1の方式および前記第2の方式の双方で流量算出可能な密度のマイクロバブルに対応するとともに、当該双方で流量算出可能な密度の範囲を超えて一方で流量算出可能な密度のマイクロバブルにも対応して、前記第1の流量と前記第2の流量との少なくとも一方に基づく算出流量を出力する算出部とを備える、超音波流量センサ。 An ultrasonic flow sensor for measuring the flow rate of a fluid containing microbubbles flowing in a pipe,
a first ultrasonic element that transmits a pulsed first ultrasonic signal, which is an ultrasonic wave having a predetermined frequency included in a frequency band of 2 MHz to 5 MHz, which is higher than the absorption band of the microbubbles, to the fluid;
a second ultrasonic element that receives a second ultrasonic signal having the predetermined frequency transmitted from the first ultrasonic element to the fluid and transmits a third ultrasonic signal received by the first ultrasonic element to the fluid;
an ultrasonic flow sensor comprising: a calculation unit that calculates , as a first method of flow rate calculation , a first flow rate of the fluid based on the difference between the predetermined frequency and the frequency of an ultrasonic signal reflected by the microbubbles; and, as a second method of flow rate calculation, calculates a second flow rate of the fluid based on a propagation time difference between the second ultrasonic signal and the third ultrasonic signal between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element; and outputs a calculated flow rate based on at least one of the first flow rate and the second flow rate, while dealing with microbubbles having a density that allows flow rate calculation by both the first method and the second method and also dealing with microbubbles having a density that exceeds a range of densities that allows flow rate calculation by both the first method and the second method but allows flow rate calculation by only one of the first method and the second method .
前記所定の周波数と、前記第1の超音波素子により超音波信号が送信されてから所定の時間が経過した第1時点における前記マイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数との差に基づいて、前記配管内の第1の深さにおける前記流体の速度を算出し、
前記所定の周波数と、前記第1の超音波素子により超音波信号が送信されてから前記第1時点と異なる第2時点における前記マイクロバブルにより反射された超音波信号の周波数との差に基づいて、前記配管内の第2の深さにおける前記流体の速度を算出し、
前記第1の深さにおける前記流体の速度と、前記第2の深さにおける前記流体の速度とに基づいて特定される前記流体の速度分布の代表値に基づいて前記第1の流量を算出する、請求項1記載の超音波流量センサ。 The calculation unit
calculating a velocity of the fluid at a first depth in the pipe based on a difference between the predetermined frequency and a frequency of an ultrasonic signal reflected by the microbubbles at a first time point after a predetermined time has elapsed since the ultrasonic signal was transmitted by the first ultrasonic element;
calculating a velocity of the fluid at a second depth in the pipe based on a difference between the predetermined frequency and a frequency of an ultrasonic signal reflected by the microbubbles at a second time point different from the first time point after the ultrasonic signal is transmitted by the first ultrasonic element;
2. The ultrasonic flow sensor according to claim 1, wherein the first flow rate is calculated based on a representative value of a velocity distribution of the fluid determined based on the velocity of the fluid at the first depth and the velocity of the fluid at the second depth.
前記算出部は、前記決定部により決定された前記合成割合で前記第1の流量と前記第2の流量とを合成することにより前記流体の第3の流量を算出する、請求項1~3のいずれか一項に記載の超音波流量センサ。 a determination unit that determines a combination ratio of the first flow rate and the second flow rate based on the stability of the flow rate calculation,
4. The ultrasonic flow sensor according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a third flow rate of the fluid by combining the first flow rate and the second flow rate at the combination ratio determined by the determination unit.
前記算出部は、前記検知部により検知された前記マイクロバブルの密度に基づいて算出された前記第1の流量を補正する、請求項1~4のいずれか一項に記載の超音波流量センサ。 Further, a detection unit is provided to detect the density of the microbubbles contained in the fluid,
The ultrasonic flow sensor according to claim 1 , wherein the calculation unit corrects the first flow rate calculated based on the density of the microbubbles detected by the detection unit.
前記算出部は、前記判定部によりサイクルスキップが発生したと判定された場合、算出された前記第1の流量を補正する、請求項1~5のいずれか一項に記載の超音波流量センサ。 a determination unit that determines whether a cycle skip has occurred when calculating the first flow rate,
6. The ultrasonic flow sensor according to claim 1, wherein the calculation unit corrects the calculated first flow rate when the determination unit determines that a cycle skip has occurred.
前記センサヘッドはセンサヘッドコネクタを有し、
前記表示器は、
前記センサヘッドコネクタと接続する表示器コネクタと、
前記センサヘッドから送信される算出流量に基づく表示情報を表示する表示部と、
前記表示部を制御する表示器制御部と、
前記表示器制御部を収容する表示器筐体とを有し、
前記センサヘッドコネクタと前記表示器コネクタとは、前記表示器筐体が前記センサヘッド筐体に取り付けられることにより直接接続される第1の接続方法と、ケーブルを介して接続される第2の接続方法とで接続される、請求項7記載の超音波流量センサ。 further comprising a display in communication with the sensor head;
the sensor head has a sensor head connector;
The display includes:
a display connector connected to the sensor head connector;
a display unit that displays display information based on the calculated flow rate transmitted from the sensor head;
a display control unit that controls the display unit;
a display housing that houses the display control unit,
8. The ultrasonic flow sensor according to claim 7, wherein the sensor head connector and the display connector are connected by a first connection method in which the display housing is attached to the sensor head housing to connect them directly, and a second connection method in which the display housing is connected via a cable .
前記表示器制御部は、前記算出部により算出される流量が所定のしきい値以上であることと、前記所定のしきい値より小さいこととのいずれか一方を示す切替用信号を生成し、
前記センサヘッド表示灯は、算出された流量と前記所定のしきい値との比較結果を表示する、請求項8記載の超音波流量センサ。 the sensor head is provided with a sensor head indicator light;
the indicator control unit generates a switching signal indicating either that the flow rate calculated by the calculation unit is equal to or greater than a predetermined threshold value or that the flow rate is smaller than the predetermined threshold value;
9. The ultrasonic flow sensor according to claim 8 , wherein the sensor head indicator light displays a result of a comparison between the calculated flow rate and the predetermined threshold value.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021142011A JP7762015B2 (en) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | Ultrasonic Flow Sensor |
| US17/860,251 US12085431B2 (en) | 2021-08-31 | 2022-07-08 | Ultrasonic flow sensor |
| DE102022121414.1A DE102022121414A1 (en) | 2021-08-31 | 2022-08-24 | Ultrasonic flow sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021142011A JP7762015B2 (en) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | Ultrasonic Flow Sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023035284A JP2023035284A (en) | 2023-03-13 |
| JP7762015B2 true JP7762015B2 (en) | 2025-10-29 |
Family
ID=85504681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021142011A Active JP7762015B2 (en) | 2021-08-31 | 2021-08-31 | Ultrasonic Flow Sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7762015B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7762015B2 (en) | 2021-08-31 | 2025-10-29 | 株式会社キーエンス | Ultrasonic Flow Sensor |
| TWI846492B (en) * | 2023-05-30 | 2024-06-21 | 桓達科技股份有限公司 | Hybrid ultrasonic flowmeter and its measurement method |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050055171A1 (en) | 2003-09-08 | 2005-03-10 | Daniel Industries, Inc. | Self-tuning ultrasonic meter |
| WO2005083370A1 (en) | 2004-02-26 | 2005-09-09 | Fuji Electric Systems Co., Ltd. | Ultrasonic flowmeter and ultrasonic flow rate measurement method |
| US20090216475A1 (en) | 2008-02-25 | 2009-08-27 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Method and System of Determining A Pattern of Arrival Time Cycle Skip In An Acoustic Flow Meter |
| JP2010515054A (en) | 2006-12-29 | 2010-05-06 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Ultrasonic flow meter system |
| WO2015088351A1 (en) | 2013-12-09 | 2015-06-18 | Bergen Technology Center As | Pulse-wave ultrasound production well logging method and tool |
| JP2015161663A (en) | 2014-02-28 | 2015-09-07 | 横河電機株式会社 | Multi-phase flow meter |
| JP2016040544A (en) | 2014-08-13 | 2016-03-24 | 横河電機株式会社 | Multiphase flow meter |
| JP2019521326A (en) | 2016-05-20 | 2019-07-25 | パーティクル・メージャーリング・システムズ・インコーポレーテッド | Automatic power control liquid particle counter with flow and bubble detection system |
| JP2019158675A (en) | 2018-03-14 | 2019-09-19 | 株式会社キーエンス | Clamp-on type ultrasonic flow sensor |
| JP2023035284A (en) | 2021-08-31 | 2023-03-13 | 株式会社キーエンス | Ultrasonic flow rate sensor |
-
2021
- 2021-08-31 JP JP2021142011A patent/JP7762015B2/en active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050055171A1 (en) | 2003-09-08 | 2005-03-10 | Daniel Industries, Inc. | Self-tuning ultrasonic meter |
| WO2005083370A1 (en) | 2004-02-26 | 2005-09-09 | Fuji Electric Systems Co., Ltd. | Ultrasonic flowmeter and ultrasonic flow rate measurement method |
| JP2010515054A (en) | 2006-12-29 | 2010-05-06 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Ultrasonic flow meter system |
| US20090216475A1 (en) | 2008-02-25 | 2009-08-27 | Daniel Measurement And Control, Inc. | Method and System of Determining A Pattern of Arrival Time Cycle Skip In An Acoustic Flow Meter |
| WO2015088351A1 (en) | 2013-12-09 | 2015-06-18 | Bergen Technology Center As | Pulse-wave ultrasound production well logging method and tool |
| JP2015161663A (en) | 2014-02-28 | 2015-09-07 | 横河電機株式会社 | Multi-phase flow meter |
| JP2016040544A (en) | 2014-08-13 | 2016-03-24 | 横河電機株式会社 | Multiphase flow meter |
| JP2019521326A (en) | 2016-05-20 | 2019-07-25 | パーティクル・メージャーリング・システムズ・インコーポレーテッド | Automatic power control liquid particle counter with flow and bubble detection system |
| JP2019158675A (en) | 2018-03-14 | 2019-09-19 | 株式会社キーエンス | Clamp-on type ultrasonic flow sensor |
| JP2023035284A (en) | 2021-08-31 | 2023-03-13 | 株式会社キーエンス | Ultrasonic flow rate sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023035284A (en) | 2023-03-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106441507B (en) | Systems and methods for non-intrusive and continuous level measurement in cylindrical vessels | |
| US10281315B2 (en) | System and method for measuring a speed of sound in a liquid or gaseous medium | |
| US20190078927A1 (en) | Sensor | |
| JP7762015B2 (en) | Ultrasonic Flow Sensor | |
| US20150323374A1 (en) | Ultrasonic flow meter and ultrasound absorbing body fault evaluating method | |
| CN101636666A (en) | Fluid depth measurement method and system for the method | |
| US11099042B2 (en) | Clamp-on ultrasonic flowmeter determining flow rate corresponding to phase velocity of low order asymmetric mode from plate wave generation | |
| JP2010525358A (en) | Distance measuring device and related method | |
| US12085431B2 (en) | Ultrasonic flow sensor | |
| CN100594362C (en) | Wedges and Wedge Cells Used in Ultrasonic Doppler Flowmeters | |
| JP5946025B2 (en) | Multiphase flow meter | |
| JP2005156401A (en) | Clamp-on type Doppler ultrasonic flow velocity distribution meter | |
| JP7836157B2 (en) | Clamp-on ultrasonic flow sensor | |
| JP7836156B2 (en) | Ultrasonic flow sensor | |
| JP6019622B2 (en) | Clamp-on type ultrasonic flowmeter | |
| JP6221624B2 (en) | Fluid type discrimination device and fluid type discrimination method | |
| JP2005181268A (en) | Ultrasonic flow meter | |
| KR101845238B1 (en) | Flow detection apparatus with complex sensing structure | |
| JP4582105B2 (en) | Equipment discrimination system | |
| CN100442028C (en) | Fluid position measuring device and method | |
| CN104685326B (en) | Packed height measures | |
| KR20100007218A (en) | Pipe apparatus for a flow measurement to use ultrasonic waves | |
| JP2010025851A (en) | Electronic gas meter | |
| US20240393154A1 (en) | Method for operating an ultrasonic measuring device, and an ultrasonic measuring device | |
| JP5196835B2 (en) | Flow measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240613 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250708 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250820 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250930 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20251017 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7762015 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |